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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
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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
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Las macromoléculas adoptan conformaciones extremas
200 nm
plegada laminas
extendida fibras
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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)
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EL SISTEMA ES MÁS QUE LA SUMA DE SUS ELEMENTOS (ESTRUCTURAS
COMPLEJAS)
POLIMEROS SEMICRISTALINOS
REGIONES AMORFAS REGIONES CRISTALINAS
Cristal NaCl Na+
Cl-
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¿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
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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?
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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
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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
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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
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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
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EXPERIMENTAL MORFOLOGIA MONOCRISTALES (TEM)
Tc
200 nm 200 nm
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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
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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
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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
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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
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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
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Plegamiento de una macromolécula
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T* = 1
(fundido)
T* = 0.5
(plegamiento)
tiempo
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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.
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SIMULACIÓN Y EXPERIMENTOS EN FÍSICA MACROMOLECULAR. PROTEINAS
PROPIEDADES HIDRODINÁMICAS
DEL COMPLEJO HER2/TZM
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HER2
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HER2 / TZM
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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
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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
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Biochimica et Biophysica Acta 178 (2008) 12-13
Advances in Protein Chemistry 68 (2004) 1-17
Structure 15 (2007) 942-954
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Cancer Cell 13 (2008) 291
PNAS 105 (2008) 6109
BMC Systems Biology 3:1 (2009) 1
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Transmission Electron Microscopy
Sample grid
Image
Reconstruction
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I
HER2/TZM (C2)
360 kDa
C2
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rh
rg
rmax
Dynamic Light Scattering
Diffusion Coefficient
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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)
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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)
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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
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34
Study of the interaction in extracellular domain ErbB2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models
# of atoms > 5 x 105
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36
Study of the interaction in extracellular domain ErbB2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models
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37
Study of the interaction in extracellular domain HER2-Transtuzumab complexes by hydrodynamic properties and computational models
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THE END