Aproximación dinámica a sistemas macromoleculares - Instituto de ...

IX CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN EN
ESTRUCTURA DE LA MATERIA
BIOPHYM
2012
Aproximación dinámica a
sistemas
macromoleculares
Javier Martínez de Salazar
(BIOPHYM)
Departamento de Fisica Macromolecular
Instituto de Estructura de la Materia – CSIC
http://www.biophym.iem.csic.es/biophym

BIOPHYM
2011
Programas de investigación
breves para estudiantes de
últimos cursos
http://www.biophym.iem.csic.es/biophym
http://www.gemppo.iem.csic.es/gemppo

BIOPHYM UN GRUPO QUE EVOLUCIONA Y SE ADAPTA
ESTRUCTURA DE MEMBRANAS CELULARES-
DISTORSIONES POR PROTEÍNAS
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
2008 - 2012
Macromolecular/ BIO
Nace biophym

ALGUNAS IDEAS DE INTERÉS SOBRE
MACROMOLÉCULAS PARA ESTUDIANTES FÍSICOS Y
FISICO-QUIMICOS

LAS MACROMOLÉCULAS CONSTITUYEN UN SISTEMA QUE SE AUTO-
ORGANIZA
La macromolécula se configura como el elemento estructural y funcional de la vida
yute
lino bonote abacá ramio sisal cáñamo algodón
alpaca angora mohair cachemir camello lana seda

MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS (POLÍMEROS)
Enorme importancia tecnológica como materiales de uso
Primeras macromoléculas sintéticas
Caucho Vulcanizado
(1839 )
Baquelita
(1907 )
Charles Goodyear
Leo Baekeland

Personajes claves de la física de MACROMOLECULAS
Hermann Staudinger
En 1953 recibió el Premio Nobel de Química «por sus descubrimientos en
el campo de la química macromolecular
La hipótesis macromolecular
Paul J. Flory
En 1974 le fue concedido el Premio Nobel de Química por sus estudios,
teóricos y prácticos, en la fisicoquímica de las macromoléculas
Inició su investigación en la compañía farmacéutica DuPont
Ovillo estadístico
Pierre-Gilles de Gennes
En 1991 le fue concedido el Premio Nobel de Física por "el descubrimiento y
desarrollo de métodos avanzados para estudiar los fenómenos simples de los
materiales, para crear formas más complejas de materia, en particular, cristales
líquidos y polímeros".
reptación

Las macromoléculas adoptan conformaciones extremas
plegada
laminas
200 nm
extendida
fibras

Se organizan en 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 (FORMAN ESTRUCTURAS COMPLEJAS)
Na +
Cl -
Cristal NaCl
REGIONES
CRISTALINAS
POLIMEROS SEMICRISTALINOS
REGIONES
AMORFAS

Forman Redes viscoelásticas --- buenos MATERIALES
Moldeado
Extrusión
soplado
fibras
Deformable
(Procesabilidad)
aplicaciones

Muchas preguntas básicas sin respuesta
Cómo solidifican los polímeros?
teorías al uso no válidas
PARADIGMAS INVÁLIDOS
Como se forman las fases en el fundido?
la termodinámica no da respuesta

Por qué hacer dinámica macromolecular?
TRATAMOS CON SISTEMAS MULTICOMPONENTE EN EL QUE
SUS ELEMENTOS SE ORGANIZAN ESTRUCTURALMENTE
DANDO LUGAR A FENÓMENOS NO PREDECIBLES POR LAS
TEORIAS EXISTENTES
SERIAS LIMITACIONES EN LA OBTENCIÓN DE SEÑALES
EXPERIMENTALES

Combinación de experimentos y simulación
Proceso de feedback
Imagen virtual
Imagen real

Sinergia experimentación-simulación
Distribución de peso
molecular
Centro activo único
W
Ziegler-Natta
Phillips o radicalaria
FENE potential
Abstracción
Simplificación
where, r c = 2 1/6 s
Modificación
Parametrización
Abstracción
Implementación
+
dC/dT
0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
log Z
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
20 30 40 50 60 70 80 90
T (ºC)
Force Field (Å 2 ) (Å 2 ) C∞ c lp (Å) d Me (kg/mol) e
Trappe-UA a 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
log(g
1
) (Å 2 )
Distribución de comonómero
T p (ºC)
90
80
70
60
50
40
0 1 2 3 4 5
Styrene-% mol
3.2
2.8
2.4
t e =1.3 ns
1/4
1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8
log(t) (ps)
Métodos
2.0
1.6
1/2

PASOS A SEGUIR EN DINÁMICA MOLECULAR
SE CONSTRUYE EL MODELO VIRTUAL
SE ELIGEN LAS CONDICIONES INICIALES
SE VALIDA EXPERIMENTALMENTE
SE LE DEJA EVOLUCIONAR DE ACUERDO A LAS
LEYES DE LA DINÁMICA CLÁSICA
SE SIMULAN PERTURBACIONES
SE ESTUDIAN LAS TRAYECTORIAS
SE CONTRASTAN LOS ESTADOS CON LOS
EXPERIMENTOS

PROBLEMA DE LAS ESCALAS DE ESPACIO-TEMPORALES.
ES NECESARIA LA SIMULACIÓN MULTI-ESCALA
Temporal scale:
Length scale:
~fs- ps ~ns- μs
~ μs-ms >s
Bond Vibrations
Conformational
transitions
Microphase separation
Physical ageing in glass

Abarcar más: modelos de "grano grueso" polímeros (Coarsed grain models)
United Atom aproximation
Systematic Coarse-Graining Procedure
Atactic Polystyrene
Atomistic simulations
of short chains
V streching (l) →V bending (q)→V nonbonded (r)
Boltzmann Inversion
Transferable potentials for phase
Equilibria Force Field (TraPPE-UA):
Parámetros obtenidos por ajuste a datos
experimentales
Martin MG et al, JPCB, 102, 2564, 1998
Milano G et al, JPCB, 109, 18609, 2005
Spyrioni T et al, Macromolecules, 40, 3876, 2007

Líneas de investigación en macromoléculas sintéticas
Modelización de las reacciones de
polimerización mediante catalizadores
organometálicos.
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)
Comportamiento viscoelástico y dinámica
molecular de polímeros sintéticos
Copolimeros de etileno
y metacrilato.
Biocompatibilidad
Procesabilidad
Viscoelasticidad
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)
Cristalización de polímeros en disolución. Efecto
de la arquitectura molecular
Teorías de
cristalización
Propiedades
mecánicas
S. Sanmartín, J. Ramos and J. Martínez-Salazar Macromolecular Symposia (2011)
J. Ramos and J. Martínez-Salazar J Pol Sci: Pol Phys (2011)

EXPERIMENTACIÓN Y SIMULACION DEL CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES
200 nm
a)
Global Bond Orientation Order S
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
PE-00
PE-05
PE-10
200
nm
b)
14 13 12 11 10 9 8 7 6
Reduced Temperature
0.0
-0.1
-0.2
PE-00
PE-05
PE-10
dS/dT*
-0.3
-0.4
-0.5
11.19
10.82
Cristallinity (a)
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Experimental values from reference 24
Simulated values
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
C 4
Branch Fraction
-0.6
11.58
-0.7
14 13 12 11 10 9 8 7 6
Reduced Temperature (T*)
Table 2: Simulated densities as a function of the degree of branching.
PE-00 PE-05 PE-10
Crystallyne(ρ c ) 0.933 0.917 0.915
Amorphous(ρ a ) 0.858 0.863 0.860
Amorphous experimental 25 0.861
Total(ρ) a 0.906 0.889 0.882
Total Experimental 25 0.952 0.931 0.922
a Calculated as: ρ c = αρ c +(1-α)ρ a where α is the simulated crystallinity reported in Fig 8. Experimental
values are in italics style. Units are given in g/cm 3 .

estructura del fundido y procesos de solidificación

BIOFISICA

Primeras incursiones en biofísica (1975-1982)
(estructura de membranas por difracción de rayos X)
Estructura de las bicapas lipídicas
Distorsiones paracristalinas por
la presencia de proteínas

Biofísica actual en biophym
Biologia evolutiva
(evolución de poblaciones)
Dinámica de sistemas
Dinámica evolutiva
tres líneas de investigación
en desarrollo
Ibercivis-grid
NEUROTRANSMISORES QUE MEDIAN
EN LOS TRANSTORNOS DEL ESTADO
DE ANIMO
TRANSMISIÓN DE SEÑALES
Receptores de proteínas
en membranas

RECEPTORES CANABINOIDES EN MEMBRANA LIPÍDICA
SNC, Reproductivo,
Inmune y digestivo
Cannabinoides: Uso “recreativo”
(ilegal) y uso terapéutico (glaucoma,
vómitos inducidos por quimio,
analgésico en cáncer y esclerosis
múltiple)
Pulmón, bazo y
testículos
CB-1
CB-2

ErbB1 (EGFR), ErbB2, ErbB3 implicados en el desarrollo y proliferación del cáncer.
ErbB4 implicada en la inhibición de crecimiento más que en la proliferación
Cancer Cell 13 (2008) 291
PNAS 105 (2008) 6109
BMC Systems Biology 3:1 (2009) 1

BIOPHYM HOY
REPSOL
DOW CHEMICAL
FINANCIACIÓN POR PROYECTOS
PÚBLICOS Y CONTRATOS CON
EMPRESAS
Colaboraciones con empresas multinacionales
(Procesos de cristalización y estructura de fases en matrices
poliméricas)
ESTUDIO DE LA PROPAGACIÓN DE
LA ENFERMEDAD DE CHAGAS
GRUPO
INTERDISCIPLINAR
(Fisicos, Quimicos, Biologos, informáticos)
PROTEINAS MEDIADORAS DEL CANCER
Colaboraciones externas otros grupos
(desarrollos de herramientas de computación)
Participación en Ibercivis-grid
ESTRUCTURA FUNCIONAL DE
NEUROPÉTIDOS-TRANSTORNOS
DEL ESTADO DE ANIMO
HOSPITAL VAL D’HEBRON
SINO BIOLOGICAL

OUTPUTS: ARTÍCULOS Y CITAS
Nº de citas acumulado
2400
2100
1800
1500
1200
900
600
300
250
200
150
100
50
0
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
0
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Año
Indice de impacto
15
12
9
6
3
Biophym (13.5 citas/articulo)
Macromolecules (4.837)
Organometalics (4.204)
Polymer (3.573)
Física
Ciencia de Materiales
0
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Año

Resultados recientes de estudiantes de pregrado por estancias cortas en Biophym
Grisel Zapino Guzmán
TESIS DE PASANTIA
Propiedades viscoelásticas
en estado fundido y estudio
de los fenómenos de
orientación en mezclas de
poliolefinas, Septiembre
2011
Yudith A. da Silva Caires
TESIS DE PASANTIA
Efecto de la estructura molecular en la
respuesta viscoelástica de nanocompuestos
de polietileno y nanotubo, Octubre 2011
Mención de Honor
Karina Jerónimo Martínez
TESIS DE PASANTIA
Simulación del crecimiento de
moléculas de PE en presencia
de nanotubos de carbono,
Enero 2012
Mención de Honor
Adriana Jargour Pinto
TESIS DE PASANTIA
Propiedades viscoelásticas en el
régimen lineal en estado fundido
de mezclas de poliolefinas,
Abril 2012
Estancias cortas: 2011-2012
Nathalie Jargour Pinto
TESIS DE PASANTIA
Morfología de monocristales
de polietileno ramificado en
disolución diluída, Abril 2012
Ernesto Vicente Alique
Beca JAE Intro -CSIC
Size and conformational
features of ErbB2 and ErbB3
receptors: a TEM and DLS
comparative study. European
Biophysical Journal 40, 835-
842 (2011)

MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN
OS ESPERAMOS EN BIOPHYM