Adsorción competitiva de proteínas en superficies que regulan carga similares a la sílica: el rol del equilibrio de protonación

CATHCARTH, MARILINA; PICCO, AGUSTIN S.; LONGO, GABRIEL S.

Virtual

Simposio; I Simposio de Modelado Multiescala para Biociencias y Nanomateriales en Argentina (SiModAr); 2022

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires

Uno de los grandes desafíos que enfrenta la nanomedicina y que condiciona su transferencia a la clínica médica es la formación de coronas proteicas sobre las nanopartículas, lo que modifica sus propiedades superficiales alterando la forma en la que interactúan con los componentes biológicos. A su vez, los fluidos biológicos de compleja composición y elevada fuerza iónica imponen un desafío a la estabilidad coloidal de las nanopartículas. Por lo tanto, comprender la interacción de proteínas con superficies de nanomateriales es actualmente un problema de relevancia clave en una variedad de aplicaciones biomédicas1,2. Con ese fin, desarrollamos una teoría molecular para estudiar la termodinámica de la adsorción de algunas proteínas con una superficie plana similar a la sílica que regula carga en una amplia gama de condiciones, que incluyen pH, concentración de sal y concentración de proteína. En este enfoque, las proteínas se describen utilizando un modelo de grano grueso basado en su estructura cristalográfica tridimensional y el pKa experimental promedio de los residuos de aminoácidos. Como sistemas modelo, estudiamos soluciones binarias y monoproteicas de citocromo c, proteína verde fluorescente (GFP), lisozima y mioglobina. Nuestros resultados muestran que el equilibrio de protonación juega un papel crítico en las interacciones de las proteínas con este tipo de superficies.3 Tanto los grupos hidroxilo terminales en la superficie como los residuos titulables de proteínas regulan carga de acuerdo con los cambios en el entorno local y la caída del pH cerca de la superficie, lo que modifica su interacción y conduce a la aparición de varios fenómenos: (i) un comportamiento de la carga superficial complejo no ideal. (ii) una adsorción no monótona de proteínas en función del pH. (iii) la presencia de dos regiones espaciales, una zona de acumulación y una zona de depleción de proteínas, que ocurren simultáneamente a diferentes distancias de la superficie cuando el pH está ligeramente por encima del punto isoeléctrico de la proteína. En mezclas binarias, la interacción efectiva de una proteína con la superficie es diferente a la obtenida en soluciones puras. Si bien esta interacción puede ser atractiva en una solución de una sola proteína, la presencia de otra proteína en la mezcla puede debilitar dicha interacción o incluso hacerla completamente repulsiva. Este resultado tiene una implicación significativa en la dinámica de la adsorción competitiva de proteínas, ya que las etapas iniciales dependerán significativamente de qué proteína se agregue y se adsorba primero. Referencias 1) Cai, R. & Chen, C. Advanced Materials 2019, 31, 1805740. 2) Nakanishi, K., et al. Journal of bioscience and bioengineering 2001, 91, 233–244. 3) Cathcarth, M., et al. Journal of Physics: Condensed Matter 2022, 34, 364001.