Simulación a mesoescala del comportamiento mucoadhesivo de biopolímeros en contacto con un modelo de mucina empleando el método de dinámica de partícula disipativa (DPD)

Abstract

La dinámica de adsorción de las glicoproteínas tipo mucina, presentes en el moco, es de especial interés para el diseño de dispositivos de uso médico y farmacológico donde se requiere que su superficie facilite o minimice dicha adsorción. Los factores que influyen en el mecanismo de adsorción y la interacción proteína-proteína y proteína-superficie una vez el moco entra en contacto con una superficie, no están del todo entendidos y descritos en la actualidad. En el presente trabajo se realiza el estudio de la dinámica de adsorción in silico para simular el comportamiento de este tipo de proteínas en contacto con una superficie, utilizando el método de Dinámica de Partícula Disipativa (DPD) implementado en recursos de computación distribuida de alto rendimiento. Para representar los componentes del sistema, se utiliza una caja de simulación compuesta por diferentes tipos de partículas (beads), como estrategia de “coarse-graining” para el estudio del sistema a mesoescala. Como principales variables en la dinámica de adsorción, se evaluó el efecto de la concentración de proteínas en el sistema y el grado de hidrofobicidad de la superficie. Aspectos como posibles cambios conformacionales, la formación de múltiples capas de proteínas, la relación entre la agregación y la adsorción de proteínas, y su reorganización una vez adsorbidas, se observan en los resultados, los cuales reproducen cualitativamente la tendencia observada in-vitro donde a mayor concentración de proteínas y sobre una superficie con una mayor grado de hidrofobicidad, se presenta una mayor adsorción de este tipo de proteínas.

Abstract. Behaviour of mucin-type glycoproteins is a key aspect on the study of several health disorders as well as in biomedical devices design where protein adsorption must be promoted or avoided according to the purpose. This work presents and in silico study of mucin-type proteins adsorption supported by simulation tests of a water protein solution at the solid-liquid interphase with different hydrophobic levels of the surface and different protein concentrations. System dynamics are simulated using the Dissipative Particle Dynamics (DPD) to calculate status of a simplified representation of the system where multiple atoms are modeled in a single spherical particle (bead) applying a mesoscale coarse-graining approach to represent proteins, water and the model surface. Relation between aggregation and adsorption dynamics is highlighted by simulation results and the powerful ability of the technique to study this phenomenon at the nanometer scale.