Huixia Lu, estudiant becada pel China Scholarship Council (2016), defensa la seva tesi sobre el comportament de proteïnes i petites molècules a l’entorn de membranes cel·lulars.

La present Tesi doctoral està dedicada a l'estudi de les propietats físico-químiques de molècules petites seleccionades (per exemple aminoàcids com el triptòfan o hormones com la melatonina) i proteïnes (com la KRas-4B) absorbides en membranes cel·lulars formades per fosfolípids i ubicades en entorns fisiològics. Donat que en aquestes condicions, les membranes biològiques compostes per fosfolípids i colesterol estan envoltades de solucions d’electròlits, entendre les interaccions de la molècula petita o proteïna amb els fosfolípids circumdants, el colesterol, l’aigua i tota mena d’espècies iòniques és un tema de gran importància fonamental. En particular, la present Tesi s'ha avançat en l'anàlisi dels aspectes estructurals i energètics d'una proteïna oncogènica de la família Ras, caracteritzant les condicions físiques que permeten que aquesta proteïna es mantingui ancorada a la cèl·lula. Les resultats descrits a la tesi poden ajudar a donar llum a la comprensió d’una gran varietat de càncers, amb un impacte directe en el disseny de medicaments o tractaments útils per a la seva curació.

Els lípids considerats en aquesta Tesi inclouen els lípids saturats dimiristoilfosfatidilcolina i dipalmitoilfosfatidilcolina, els lípids insaturats dioleoilfosfatidilcolina i dioleoilfosfatidilserina i el colesterol. En aquesta Tesi s'han aplicat simulacions de dinàmica molecular clàssica i simulacions de metadinàmica ben temperada, de manera que tots els sistemes considerats han estat modelitzats i simulats a nivell purament atòmic, amb sistemes de fins a 200000 àtoms.

Utilitzant simulacions clàssiques de dinàmica molecular (a escala 1 microsegon), hem estudiat l'estructura i la dinàmica microscòpiques de les molècules petites i les proteïnes KRas-4B, aquestes últimes en formes pura i mutada (oncogènica). La membrana cel·lular sempre s’ha considerat en fase cristal·lina líquida, cosa que en alguns casos ha requeria d’augmentar la temperatura del sistema fins a 323 K. S’ha calculat propietats estructurals com ara l’àrea per lípid i el gruix de la membrana, perfils de densitat, paràmetres d’ordre de deuteri, distribucions orientacionals i l’abast de la penetració de l’aigua a la membrana. Els coeficients de difusió moleculars i les densitats espectrals atòmiques revelen una gran varietat d’escales de temps que tenen un paper en la dinàmica de membrana. El significat físic de totes les característiques espectrals dels llocs atòmics lipídics s’ha analitzat i correlacionat amb dades experimentals. El més rellevant ha estat la troballa de la ubicació de llocs individuals d’enllaç de les diverses sondes (petites molècules i proteïnes) a la interfície de la membrana. Finalment, utilitzant tècniques de treball reversible, s’ha pogut estimar la quantitat d’energia lliure necessària per formar aquests enllaços.

Mitjançant l’aplicació de simulacions de metadinàmica ben temperada d’1 microsegon, hem realitzat per primer cop càlculs d’energia lliure sistemàtica de la unió de les diverses sondes a la membrana i a l’aigua. Les superfícies d’energia lliure mostren un comportament específic dels enllaços de molècules petites i proteïnes a les membranes fosfolípidiques. Aquesta Tesi proporciona una metodologia general per explorar superfícies d’energia lliure en interfícies biològiques complexes que es poden ampliar per estudiar d’altres interaccions d’interès entre molècules, pèptids, proteïnes o fàrmacs i membranes en Química i Biologia col·loïdal.

També hem aplicat aquesta metodologia per estudiar el cas d’una proteïna oncogènica prototípica (KRas), que es considera responsable d’una gran varietat de càncers. Els nostres resultats en superfícies d’energia lliure indiquen l’existència de connexions específiques d’enllaç d’hidrogen entre parts de la proteïna (regió hipervariable i cua farnesilada) que podrien ser responsables de la infecció permanent de cèl·lules sanes a través del seu ancoratge a la interfície de la membrana.