SIMULACIÓN Y EXPERIMENTOS

EN FÍSICA MACROMOLECULAR

Grupo de Biofísica Macromolecular(BIOPHYM)

Departamento de Fisica Macromolecular

Instituto de Estructura de la Materia – CSIC

http://www.biophym.iem.csic.es/

Javier Martínez de Salazar

1976-1994

morphology/structure vs.

Physical properties (solid)

1996-2004

molecular architecture

vs. physical properties

melt

Computational chemistry

(MM and QM, DFT)

2004 - 2008

Macromolecular simulation

(MC, MD): crystallization +

melt

BREVE HISTORIA DEL GRUPO BIOPHYM

2008 - 2018

Macromolecular/ BIO

ESTRUCTURA DE MEMBRANAS

CELULARES-DISTORSIONES POR

PROTEÍNAS

Las macromoléculas adoptan conformaciones extremas

200 nm

plegada laminas

extendida fibras

FORMAN UNA RED COOPERATIVA CON EFECTOS NO LINEALES

UNO AFECTA A TODOS

Las macromoléculas forman un sistema (red de

entrecruzamientos) en la que cada elemento (molécula)

repta en un tubo cuyo contorno queda fijado por el resto

Se manifiestan fenómenos cooperativos (sistemas altamente correlacionados)

EL SISTEMA ES MÁS QUE LA SUMA DE SUS ELEMENTOS (ESTRUCTURAS

COMPLEJAS)

POLIMEROS SEMICRISTALINOS

REGIONES AMORFAS REGIONES CRISTALINAS

Cristal NaCl Na+

Cl-

¿POR QUÉ HACER SIMULACIÓN COMPUTACIONAL?

TRATAMOS CON SISTEMAS MULTICOMPONENTES EN EL QUE

SUS ELEMENTOS SE ORGANIZAN ESTRUCTURALMENTE DANDO

LUGAR A FENÓMENOS NO PREDECIBLES POR LAS TEORIAS

EXISTENTES

LIMITACIONES EN LA OBTENCIÓN DE SEÑALES EXPERIMENTALES

MUCHAS PREGUNTAS BÁSICAS SIN RESPUESTA

¿Cómo solidifican los polímeros?

teorías actuales no explican muchos resultados

experimentales

¿Como se forman las fases en el fundido?

la termodinámica no da respuestas

concluyentes

¿PARADIGMA INVÁLIDO?

Validación

Alimentación

Mecánica cuánticaDinámica molecular clásica

Dinámica estocástica (Monte Carlo)Dinámica evolutiva (…)

SIMULACIÓN JERARQUIZADA O MULTIESCALA. MODELOS DE GRANO-GRUESO

Modelos matemáticos

APROXIMACIÓN SISTÉMICA A LOS PROCESOS DE ENSAMBLAJE Y SEÑALIZACIÓN EN MACROMOLÉCULAS.

ExperimentosReología

Dispersión de luzMicroscopia electrónica

Calorimetría (…)

COMBINACIÓN DE TÉCNICASINFORMACIÓN GLOBAL DEL SISTEMA

Resultados

experimentales

ESTABLECIENDO SINERGIAS ENTRE EXPERIMENTOS Y SIMULACIÓN

Problema en

un Sistema

Real

Experimentos

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

Phillips o radicalaria

Ziegler-Natta

Centro activo único

W

log Z

Distribución de peso

molecular

20 30 40 50 60 70 80 900.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Tp (

ºC)

Styrene-% mol

dC

/dT

T (ºC)

0 1 2 3 4 5

40

50

60

70

80

90

Distribución de comonómero

Abstracción

Simplificación

Modelos

+

Métodos

computacionales

Force Field 2R (Å

2) R2

g(Å

2) R R2 2

g C∞

c lp (Å)

d Me (kg/mol)

e

Trappe-UAa 19805 ± 50 3299 ± 6 6.00 ± 0.03 8.34 ± 0.01 9.22 ± 0.02 0.71 ± 0.01

Karayiannis et al.b 19335 ± 56 3187 ± 6 6.07 ± 0.03 8.06 ± 0.01 9.54 ± 0.02 0.79 ± 0.01

1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.81.6

2.0

2.4

2.8

3.2

e=1.3 ns

1/4

1/2

log(g

1)

(Å2)

log(t) (ps)

Parametrización

Abstracción

Implementación

Modificación

del modelo Modelo valido

FENE potential

where, rc = 21/6s

El concepto de multiescala

Investigar y diseñar nuevos materiales desde la síntesis a su aplicación.

Escala temporal

Es

ca

la e

sp

ac

ial

Química Cuántica

(DFT)

Electrones explícitos.

Modelos mesoscópicos

Grano-grueso (CG) o modelos

moleculares. Potenciales efectivos.

Modelos atómisticos

Física clásica con "force

field" atomísticos (dinámica

molecular y Monte Carlo).

NANOCOMPUESTOS

SIMULACIÓN Y EXPERIMENTOS EN FÍSICA MACROMOLECULAR.

Modelización de las reacciones de

polimerización mediante

catalizadores organometálicos. Copolimeros de etileno

y metacrilato.

Biocompatibilidad

Comportamiento viscoelástico y

dinámica molecular de polímeros

sintéticos

Procesabilidad Viscoelasticidad

Teorías de

cristalización

Propiedades

mecánicas

Cristalización de polímeros en disolución.

Efecto de la arquitectura molecular

z

x

z

x

J.F. Vega, J.Ramos and J. Martínez-Salazar, Rheologica Acta (2011)

J. Ramos, J.F. Vega, D.N. Theodorou and J. Martínez-Salazar, Macromolecules (2008)

J. Ramos, S. Martínez, V.L. Cruz and J. Martínez-Salazar, J. Molecuar Mod. (2011)

J. Ramos, V. L. Cruz, J. Martínez-Salazar, M. Brasse, P. Palma and J. Campora J Pol Sci: Pol Chem (2010)

S. Sanmartín, J. Ramos and J. Martínez-Salazar Macromolecular Symposia (2011)

J. Ramos and J. Martínez-Salazar J Pol Sci: Pol Phys (2011)

Comportamiento viscoelástico y

dinámica molecular de polímeros

sintéticos

EXPERIMENTAL MORFOLOGIA MONOCRISTALES (TEM)

Tc

200 nm 200 nm

PE00

70 °C

95°C

101°C

98°C

65°C 80 °C 75 °C

Ts

Tc

2 µm

2 µm

200 nm

2 µm

200 nm

1 µm

2 µm

2 µm

200 nm

2 µm

2 µm

200 nm

PE 03

67 °C

92°C

98°C

95°C

62°C 77 °C 72 °C

Ts

Tc

1 µm

2 µm

200 nm

1 µm

0.5 µm

1 µm

1 µm

1 µm

0.5 µm 200 nm

2 µm 2 µm

PE05

63 °C

88°C

94°C

91°C

58°C 73 °C 68°C

Ts

Tc

0.5 µm

0.3 µm

0.2 µm

0.5 µm

0.2 µm

0.2 µm

0.5 µm

200 nm

200 nm

0.8 µm

0.5 µm

0.3 µm

PE08

59°C

84°C

90°C

87°C

54°C 69 °C 64°C

Ts

Tc

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

PE10

55 °C

80°C

86°C

83°C

50°C 65 °C 60°C

Ts

Tc

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm

200 nm 200

nm

200 nm

200 nm 200 nm

Plegamiento de una macromolécula

T* = 1

(fundido)

T* = 0.5

(plegamiento)

tiempo

SIMULACION Y EXPERIMENTOS EN MONOCRISTALES

z

x

z

x

a)

b)

14 13 12 11 10 9 8 7 6

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Glo

bal B

ond

Orien

tation O

rder

S

Reduced Temperature

PE-00

PE-05

PE-10

14 13 12 11 10 9 8 7 6

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

dS

/dT

*

Reduced Temperature (T*)

PE-00

PE-05

PE-10

11.58

11.19

10.82

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

C4 Branch Fraction

Cris

talli

nity

(

)

Experimental values from reference 24

Simulated values

Table 2: Simulated densities as a function of the degree of branching.

PE-00 PE-05 PE-10

Crystallyne(ρc) 0.933 0.917 0.915

Amorphous(ρa) 0.858 0.863 0.860

Amorphous experimental25

0.861

Total(ρ)a 0.906 0.889 0.882

Total Experimental25

0.952 0.931 0.922 a Calculated as: ρc = αρc +(1-α)ρa where α is the simulated crystallinity reported in Fig 8. Experimental

values are in italics style. Units are given in g/cm3.

SIMULACIÓN Y EXPERIMENTOS EN FÍSICA MACROMOLECULAR. PROTEINAS

PROPIEDADES HIDRODINÁMICAS

DEL COMPLEJO HER2/TZM

HER2

HER2 / TZM

HER2 pertenece a una familia de receptores

que son potentes mediadores en el crecimiento

y desarrollo celular

Nature Review 9 (2009) 463-475

Advances In Protein Chemistry 68 (2004) 1-27

Receptor Enfermedad Estrategias

HER2

Se sobre-

expresa

Cáncer de mama

Cáncer gastrico

Cáncer de ovario

Cáncer pulmonar

Inhibidores tirosina- kinasa, proteínas

de choque térmico, inhibidores de

dimerización y conjugación entre

anticuerpos-quimioterapia.

Tratamiento actual Anticuerpos

monoclonales

especificos

Biochimica et Biophysica Acta 178 (2008) 12-13

Advances in Protein Chemistry 68 (2004) 1-17

Structure 15 (2007) 942-954

Cancer Cell 13 (2008) 291

PNAS 105 (2008) 6109

BMC Systems Biology 3:1 (2009) 1

Transmission Electron Microscopy

Sample grid

Image

Reconstruction

I

HER2/TZM (C2)

360 kDa

C2

rh

rg

rmax

Dynamic Light Scattering

Diffusion Coefficient

0.0

0.5

1.0

1.5

Lo

g M RI

RALS

LALS

DP

Inte

nsity (

a.u

.)

4

5

6

8 9 10 11 12 13 14 15 16

0.0

0.5

1.0In

ten

sity (

a.u

.)

RV (ml)

4

5

6

Lo

g M

HER2/TZM

105 kDa

145 kDa

[h]=0.065 dl/g rh=4.8 nm

[h]=0.060±0.003 dl/g rh=5.1 ±0.2 nm

HER2

TZM

ECD

HER2

TZM

BSA [h]=0.038±0.002 dl/g

rh=3.42 ±0.06 nm

BSA Literature [h]=0.033-0.042 dl/g

rh=3.27-3.54 nm

Calibration

[h]=0.064±0.002 dl/g

rh=5.3 ±0.1 nm

Mw~150 kDa

TZM (Literature)

Diffusion Coefficient and Size

10-1

100

101

102

103

104

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

g1(t

)

t (s)

10-1

100

101

102

103

104

-0.030

-0.015

0.000

0.015

0.030 Stokes

Cumulants

CONTIN

Re

sid

ua

ls

t (s)

TZM (monodisperse)

Dt (Buffer @20 ºC) = 4.01 10-7 cm2/s

Dt (Water @20 ºC) = 4.09 10-7 cm2/s

rh (Stokes-Einstein)=5.23 nm

rh (TDA-SEC)=5.16 nm

0 1 2 3 4 5 6 7 82.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Buffer @12 ºC

Buffer @20 ºC

Buffer @27 ºC

Water @20 ºC

Water @20 ºC Brandt et al 2010

Buffer viscosity: 1.021 cp

Water viscosity: 1.002 cp

Dt (

10

-7 c

m2/s

)

c (mg/ml)

0 40 80 120 160 200 240 280-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

TZM

Complex3

Complex2

Complex1

ln[g

2(t

)-1)/]

t (s)

Diffusion Coefficient and Size

Complexes

-7.2 -7.0 -6.8 -6.6 -6.4 -6.2

0

2

4

6

8

10

T=12 ºC

T=20 ºC

C3

C2

C1

TZM

Sca

tte

rin

g I

nte

nsity

log D (cm2/s)

-8.4 -8.2 -8.0 -7.8 -7.6

0

2

4

6

8

10

Sca

tte

rin

g I

nte

nsity

log rH (m)

5.2 nm 7.2 nm

9.6 nm 18.1 nm

Diffusion Size

Independent on T

34

Study of the interaction in extracellular domain ErbB2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models

# of atoms > 5 x 105

36

Study of the interaction in extracellular domain ErbB2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models

37

Study of the interaction in extracellular domain HER2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models

THE END