Simulaciones de respuesta óptica de un colorante sensible al voltaje (CSV) inserto en membranas lipı́dicas polarizadas

GALASSI VANESA; SOSA, MICAELA; SANCHEZ, CRISTIÁN; MARIO G DEL POPOLO

Bariloche

Congreso; 107a Reunión de la Asociación Fı́sica Argentina; 2022

Instituto Balseiro

El objetivo del trabajo es el estudio de la respuesta óptica de colorates sensibles al potencial de membrana(CSV), que son moléculas anfifı́licas capaces de sensar diferencialmente el estado de polarización de membranasbiológicas. Se buscó elucidar los determinantes moleculares subyacentes a la afinidad por membranas y la re-spuesta óptica. Esto se logró a través de una metodologı́a computacional que permite describir configuracional yelectrónicamente el fenómeno, deconvolucionándolo en estas componentes.El interés en el desarrollo de una metodologı́a para entender y predecir la respuesta de los CSV radica en suutilidad en el diseño racional de moléculas con respuesta mejorada. La relevancia de estos cromóforos se debe asu potencial aplicación en ciencia experimental y diagnóstico por imágenes en tejido neuronal y cardı́aco.Se utilizó indocianina verde (ICG) como modelo de estudio. Es una molécula con peculiar actividad óptica,excitándose en el infrarrojo cercano, lo que permite irradiar y detectar hasta 2 cm transdermalmente. La ICGcuenta además con la aprobación para el uso clı́nico humano por parte de la Administración de Alimentos yMedicamentos de Estados Unidos (FDA) y se ha reportado su uso en diversas investigaciones biomédicas [1].Se construyeron los modelos de mecánica molecular de sistemas de doble bicapa para generar dos comparti-mentos acuosos delimitados, a través de los cuales se generó un desbalance iónico para obtener la polarización.El colorante indocianina verde (ICG) fue embebido en una de las bicapas, especı́ficamente en la hemicapa conpolaridad positiva, mimetizando el medio extracelular.Se utilizó la técnica de muestreo estadı́stico Umbrella Sampling para calcular el potencial de fuerza media(PMF) de partición del colorante en la membrana, que da cuenta de la afinidad. El efecto de la polarización en laafinidad, localización y orientación respecto del plano de la membrana, se obtuvo de las trayectorias de dinámicamolecular correspondientes al mı́nimo del PMF, ası́ como de trayectorias sin sesgo partiendo de las configuracionesde mı́nima energı́a. Se obtuvieron distribuciones para la localización del colorante y de los grupos sulfonato, ypara dos ángulos que describı́an la orientación en la membrana.El cálculo de estados electrónicamente excitados en moléculas ópticamente activas como los CSV requiere unanálisis de dinámica electrónica, como por ejemplo time dependent-density functional theory (TD-DFT). Esto esextremadamente costoso para sistemas en fase condensada. Por ello se utilizó un esquema hı́brido de mecánicamolecular y mecánica cuántica QM/MM. En este esquema, el sistema se dividió en dos subsistemas: el colorante,descripto ab initio, y el entorno (membrana y medio acuoso), que se describió a través de las cargas parcialesque polarizaban la función de onda del colorante. Se efectuó el cálculo de TD-DFT de configuraciones relevantesextraı́das de la dinámica molecular, y se obtuvieron los espectros medios de absorción para ICG en las membranascon diferente estado de polarización. Se logró reproduciir el pequeño corrimiento en los espectros dependiente dela polarización evidenciado en resultados experimentales [1].Con el fin de desglosar el efecto meramente electrocrómico, se calculó el corrimiento de la longitud de on-da máxima de absorción ante la aplicación del campo eléctrico externo uniforme en diferentes direcciones de lamolécula de ICG en vacı́o. Se observó que la orientación de la molécula en la membrana no favorece el alineamientode la dirección de mayor suceptibilidad al campo con la mayor componente del campo eléctrico de transmem-brana. Se efectuó una primera tentativa de diseño racional de sensores de potencial con respuesta mejorada. Sepropusieron derivados de la molécula de ICG con respuesta electrocrómica, de modo tal de obtener una orientaciónen membrana que maximizace la respuesta óptica al campo eléctrico de transmembrana.