Dynamics and structural features of biomolecules in aqueous environmentsthe cases of water and ice

Resumen

La interacción del agua con los materiales biológicos es uno de los temas más emocionantes de la ciencia: la vida es imposible sin agua. Sin embargo, el agua en los seres vivos es muy diferente de lo que llamamos "agua" en el sentido convencional. El agua a la que nos referimos es agua que está en estrecho contacto con otras moléculas (proteínas, lípidos, carbohidratos). En verdad, la mayor parte del agua en los seres vivos está a no más de una distancia de 1 nm de otras moléculas. Por esto se suele indicar que el agua en los seres vivos se encuentra en forma de agua confinada.A día de hoy, muchas cuestiones científicas sobre las moléculas de agua y sus interacciones con biomoléculas aún no se han abordado por completo en la literatura. Explorar las propiedades del agua en los bio-sistemas ha sido extremadamente útil para numerosas aplicaciones desde la industria farmacéutica o alimentaria hasta la atención médica. Además, a partir del estudio de la interacción entre el agua y losbio-sistemas, se han respondido numerosas preguntas fundamentales en diferentes disciplinas (física, química o biología). Por ejemplo, las interacciones hidrofóbicas son la fuerza impulsora detrás del plegamiento de proteínas y el agua también forma una red que media la transmisión de información a la célula. Sin embargo, de qué manera el agua y las biomoléculas interactúan (¿cuántas capas de agua afectan a una proteína?) o de qué manera los movimientos del agua influyen en los movimientos de las biomoléculas (¿están acopladas o son independientes entre sí?) son cuestiones que aún están más allá de nuestro entendimiento. El progreso en la comprensión de la interacción entre agua y biomoléculas depende de los esfuerzos colectivos para combinar varias técnicas experimentales que pueden acceder a una escala de tiempo amplia (de picosegundos a segundos) combinadas con análisis estructural (microscopía y dispersión / difracción, desde la escala atómica hasta la gran escala nano-métrica).Como se ha mencionado, los procesos biológicos fundamentales tienen lugar en ambientes acuosos, pero generalmente en confinamiento: las proteínas trabajan en células rodeadas por unas pocas capas de moléculas de agua, y también por otras muchas moléculas que están presentes en altas concentraciones (carbohidratos, otras proteínas, ácidos nucleicos o lípidos), mostrando la importancia del agua "confinada". Estudios recientes coinciden en que el agua es extremadamente importante para comprender los procesos biológicos que son tan relevantes como las biomoléculas mismas. En otras palabras, el enfoque tradicional en una proteína, por ejemplo, como una sola entidad es tan simple como considerar un solo componente de una mezcla. En libros de texto de biología usualmente se muestran proteínas sobre un fondo negro (biología en el vacío) restándole importancia al agua circundante. Sin embargo, el agua no es un solvente pasivo en procesos biológicos, sino una función vital en la mayoría de los procesos biomoleculares y celulares. Por lo tanto, el valor del agua aún está subestimado en la biología.Por otro lado, los estudios de materia biológica a bajas temperaturas pueden conducir a mejorar los métodos de preservación de sistemas biológicos más grandes (por ejemplo, tejidos y órganos corporales para trasplantes), que todavía son una tarea difícil porque requieren una velocidad de enfriamiento muy rápida. Aunque la formación de hielo puede ser suprimida completamente durante el enfriamiento, durante el calentamiento el agua puede cristalizarse. Este fenómeno se conoce como cristalización fría. La formación de cristales de hielo generalmente destruye el tejido biológico. Además, nuestros conocimientos a bajas temperaturas ayudarán a los productores de alimentos a comprender los vínculos entre la microestructura y la dinámica de los materiales alimenticios y sus propiedades físicas y químicas para controlar e incluso predecir las características de los materiales alimenticios durante el procesamiento y almacenamiento. La importancia del almacenamiento se vuelve obvia si se considera la espantosa brecha entre la sobreproducción y la falta de alimentos. El almacenamiento es mucho más que un problema para mejorar la calidad y disponibilidad de los alimentos.Esta tesis doctoral tiene como objetivo obtener una comprensión fundamental de la interacción entre el agua y los bio-sistemas. Para ello, estudiamos soluciones amorfas de materiales biológicos y soluciones semicristalinas con hielo. El trabajo está dividido en ocho capítulos. Introducción al agua y biopolimeros, y técnicas experimentales están presentadas en capítlos del 1 al 3.En el capítulo 4, que es una adaptación de un artíclo publicado, analizamos la dinámica de las soluciones acuosas de ¿-PLL en dos conformaciones diferentes (una conformación ß-sheet pura (a pH = 10) y una cadena más alargada (a pH = 7) utilizando dinámica por dispersión de luz despolarizada y polarizada, y espectroscopía dieléctrica de banda ancha. La combinación de estas técnicas nos permite analizar la dinámica del soluto y el solvente; podemos determinar tanto la relajación ¿ como la dinámica del agua alrededor del péptido en las dos conformaciones. Además, utilizando mediciones de dispersión de luz podemos analizar si nuestras soluciones son esencialmente homogéneas en escalas de longitud mayores que las dimensiones una ß -sheet, o si en cambio presentan algunas agregaciones aparte de algún grado de estructura local corta como cúmulos moleculares o capas de solvatación en la escala subnanométrica.En el capítulo 5, que es una adaptación de un artículo enviado, estudiamos mezclas con alto contenido de agua (50% en peso) donde hay hielo en la muestra. La cristalización del agua se puede controlar aplicando diferentes protocolos: cambiando la velocidad de enfriamiento o realizando una serie de temperaturas de cristalización (Tann) y tiempos de cristalización (tann). Analizamos la dinámica del agua en un ambiente semicristalino para las dos categorías de soluciones (es decir, soluciones que muestran dos o tres relajaciones). Realizamos estudios calorimétricos y dinámicos en soluciones acuosas de materiales vitrificantes (tri-propilenglicol) y un péptido ¿ -poly(lisina)).En el capítulo 6, que es una adaptación de un artículo publicado, proporcionamos nuevos resultados experimentales sobre la dinámica de dos líquidos hidrofílicos, tripropilenglicol (3PG) y pentaetilenglicol (5EG), mezclados con los tres isotopos (H2O, H218O y D2O). Utilizando estos tres solventes, podemos analizar la influencia de la masa, los efectos debidos al cambio en el momento de inercia y los efectos cuánticos nucleares sobre la dinámica del agua amorfa en soluciones de dos solutos hidrófilicos.En el capítulo 7, que es una adaptación de un artículo en preparación, analizamos la formación de hielo en apoferritina comparando la microscopía de congelación por deposición en apoferritina sólida con la termodinámica de congelación por inmersión en solución de apoferritina. Una ventaja de los experimentos de congelación con microscopio electrónico de barrido ambiental y calorimetría de barrido diferencial es que la cantidad de muestra es pequeña (entre 1 y 15 mg). Sin ambigüedades, es posible determinar la temperatura precisa cuando se produce la cristalización y la reproducibilidad en condiciones idénticas. Esto permite realizar experimentos de recongelación y explorar el estrés soportado después de muchos ciclos de cristalización. Se utilizaron otras dos proteínas, snomax y mioglobina, como control positivo y negativo, respectivamente.Finalmente, el capítulo 8 contiene un resumen de los resultados presentados en esta tesis así como también una perspectiva para futuros estudios.