Estudio del proceso molecular de desestabilización de geles de mucina en contacto con superficies hidrofóbicas

Abstract

Se diseñaron tres modelo s de si mulación molecular a diferentes escalas , c on el fin de estudiar el comportamiento de agregación y estabilidad de geles formados por la glicoproteína expresada por el gen MUC2, principal componente de la capa de moco que recubre la sección del intestino delgado del tracto digestivo. El primer modelo fue construido a escala atomística . F ue elaborado empleando técnicas d e reconocimiento de pliegues para la determinación estructural de los dominios C y N terminal , y una técnica ab - initio en la región central al tamente glicosilada. La molécula fue solvatada con un modelo de solv ente implícito Generalized Born , y la simulación del sistema fue llevada a cabo empleando Dinámica de Langevin con los parámetros CHARMM para el campo de fuerza. Este primer modelo permiti ó estudiar características estructurales de la molécula de mucina , como su radio de giro, plegado de glicosilaciones, funciones de distribución estructural y un análisis topológico del carácter hidrofílico/hidrofóbico superficial de la proteína. Un segundo modelo de grano grueso de único blob por residuo fue construido por técnicas bottom - up , tomando como referencia el modelo atomístico. Los parámetros para e l campo de fuerza a esta escala fueron obtenidos por un algoritmo Force - Matching . E ste sistema emple ó el mismo modelo de solvente usado con el sistema atomístico . La evaluación de este modelo fue llevada a cabo empleando algunos péptidos con estructuras cristalográficas reportadas en el Protein Data Bank . El sistema construido a esta escala está constitu ido por dos y tres mucinas navegando en el solvente, lo que permitió estudiar las características asociativas de la proteína. Se verificó que las proteínas se agregan formando interacciones más fuertes en sus dominios N y C terminal. Por último, se constru ye un modelo de grano grueso basado en forma. Para la parametrización de este modelo se tuvo en cuenta las características estructurales globales de la proteína, así como la conservación de su momento inercial. Este modelo permitió la construcción de un si stema de hasta 50 proteínas en un solvente ex plícito y sometido a contacto con superficies hidrofóbicas. Así se pudo analizar el mecanismo por el cual se desestabilizan estos geles de mucinas, permitiendo de esta manera construir modelos de adsorción y dif usión de materiales hidrofóbicos a través de la capa de moco.

Abstract: Three molecular simulation models were designed at different scales in order to study the aggregatio n and stability behavior of gels formed by the glycoprotein expressed by the MUC2 gene. This protein is the m ain co mponent of the mucus layer which coats epithelial cells of the small intestine. The first model was developed on an atomistic scale. It was b uilt by employing a fold - recognition method for the structural determination of domains near the N and C terminals and an ab - initio method in the highly glycosylated central region. The molecule was embedded in a Generalized Born Implicit S olvent, and the system simulation was carried out using Langevin Dynamics with the CHARMM parameters for the force field. This first model allowed to study structural characteristics of the MUC2 protein such as its radius of gyration , glycosylations folding , structural di stribution functions , and the hydrophilic/hydrophobic molecule topology . A second coarse - grained model of a single b ead per residue was designed by bottom - up techniques, starting from the previ o us atomistic model . The parameters for the force field of this model were obtained by a Force - Matching algorithm. T his system employed the same implicit solvent as in the atomistic model . This residue - based coarse - grain ed model was verified by using some peptides with crystallographic structures reported in the Prote in Data Bank. The system constructed on this scale consists of two and three mucins submerged in the solvent, which allowed to study the protein assembly . It is corroborated that the proteins are linked by the corners in order to form colloidal networks. F inally, a shape - based coarse - grain ed model was built . For the parameterization of this model, the overall structural characteristics of the protein were tak en into account, as well as its inertial momentum. This model allowed to construct a system with 50 proteins in an implicit solvent and it was subjected to contact with hydrophobic surfaces. In this way , the model let to clarify the mechanism by which these mucins gels were destabilized. It allowed to construct models of adsorption and diffusion of hydro phobic materials through the layer of mucus.