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
2012
IX CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN EN ESTRUCTURA DE LA MATERIA
BIOPHYM
2011
http://www.biophym.iem.csic.es/biophym
http://www.gemppo.iem.csic.es/gemppo
Programas de investigación breves para estudiantes de últimos cursos
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
BIOPHYM UN GRUPO QUE EVOLUCIONA Y SE ADAPTA
2008 - 2012
Macromolecular/ BIO
Nace biophym
ESTRUCTURA DE MEMBRANAS CELULARES-DISTORSIONES POR PROTEÍNAS
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 sisal abacá bonote lino ramio cáñamo algodón
alpaca angora mohair cachemir camello lana seda
MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS (POLÍMEROS)
Primeras macromoléculas sintéticas Caucho Vulcanizado
(1839 )
Leo Baekeland Charles Goodyear
Baquelita (1907 )
Enorme importancia tecnológica como materiales de uso
Personajes claves de la física de MACROMOLECULAS
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".
Inició su investigación en la compañía farmacéutica DuPont
Pierre-Gilles de Gennes
En 1974 le fue concedido el Premio Nobel de Química por sus estudios, teóricos y prácticos, en la fisicoquímica de las macromoléculas
En 1953 recibió el Premio Nobel de Química «por sus descubrimientos en el campo de la química macromolecular
Paul J. Flory
Hermann Staudinger
La hipótesis macromolecular
Ovillo estadístico
reptación
Las macromoléculas adoptan conformaciones extremas
200 nm
plegada laminas
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)
POLIMEROS SEMICRISTALINOS REGIONES AMORFAS
REGIONES CRISTALINAS
Cristal NaCl Na+
Cl-
Forman Redes viscoelásticas --- buenos MATERIALES
Deformable (Procesabilidad)
fibras Moldeado Extrusión soplado
aplicaciones
Muchas preguntas básicas sin respuesta
Cómo solidifican los polímeros? teorías al uso no válidas
Como se forman las fases en el fundido? la termodinámica no da respuesta
PARADIGMAS INVÁLIDOS
Por qué hacer dinámica macromolecular?
ó TRATAMOS CON SISTEMAS MULTICOMPONENTE EN EL QUE SUS ELEMENTOS SE ORGANIZAN ESTRUCTURALMENTE DANDO LUGAR A FENÓMENOS NO PREDECIBLES POR LAS TEORIAS EXISTENTES
Ò SERIAS LIMITACIONES EN LA OBTENCIÓN DE SEÑALES EXPERIMENTALES
Proceso de feedback
Imagen virtual
Imagen real
Combinación de experimentos y simulación
Sinergia experimentación-simulación
Modelo valido
Problema en un
Sistema Real
+
Métodos computacionales
Force Field (Å2) (Å2) 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
te=1.3 ns1/4
1/2
log(g 1) (Å
2 )
log(t) (ps)
Parametrización
Abstracción
Implementación
Resultados experimentales
Experimentos
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00
Phillips o radicalariaZiegler-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
T p (ºC
)
Styrene-% mol
dC/dT
T (ºC)
0 1 2 3 4 5405060708090
Distribución de comonómero
Abstracción
Simplificación
Modelos
Modificación del modelo
FENE potential
where, rc = 21/6s
PASOS A SEGUIR EN DINÁMICA MOLECULAR
ó SE CONSTRUYE EL MODELO VIRTUAL ó SE ELIGEN LAS CONDICIONES INICIALES ó SE VALIDA EXPERIMENTALMENTE ó SE LE DEJA EVOLUCIONAR DE ACUERDO A LAS
LEYES DE LA DINÁMICA CLÁSICA ó SE SIMULAN PERTURBACIONES ó SE ESTUDIAN LAS TRAYECTORIAS ó SE CONTRASTAN LOS ESTADOS CON LOS
EXPERIMENTOS
Microphase separation
Physical ageing in glass Conformational
transitions
~ns- μs ~fs- ps ~ μs-ms >s Temporal scale: Length scale:
Bond Vibrations
PROBLEMA DE LAS ESCALAS DE ESPACIO-TEMPORALES. ES NECESARIA LA SIMULACIÓN MULTI-ESCALA
Abarcar más: modelos de "grano grueso" polímeros (Coarsed grain models)
United Atom aproximation
Transferable potentials for phase Equilibria Force Field (TraPPE-UA): Parámetros obtenidos por ajuste a datos experimentales
Martin MG et al, JPCB, 102, 2564, 1998
Systematic Coarse-Graining Procedure Atomistic simulations of short chains Atactic Polystyrene
Vstreching(l) →Vbending(q)→Vnonbonded(r)
Boltzmann Inversion
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. 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
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)
EXPERIMENTACIÓN Y SIMULACION DEL CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES
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
Orie
ntat
ion
Ord
er 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/d
T*
Reduced Temperature (T*)
PE-00PE-05PE-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
0,80,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
C4 Branch Fraction
Crist
allin
ity (a
)
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.
200 nm
200 nm
estructura del fundido y procesos de solidificación
BIOFISICA
Estructura de las bicapas lipídicas
Primeras incursiones en biofísica (1975-1982) (estructura de membranas por difracción de rayos X)
Distorsiones paracristalinas por la presencia de proteínas
Biofísica actual en biophym
Dinámica de sistemas
Biologia evolutiva (evolución de poblaciones)
Dinámica evolutiva
tres líneas de investigación en desarrollo
TRANSMISIÓN DE SEÑALES
Receptores de proteínas en membranas
NEUROTRANSMISORES QUE MEDIAN EN LOS TRANSTORNOS DEL ESTADO
DE ANIMO
Ibercivis-grid
RECEPTORES CANABINOIDES EN MEMBRANA LIPÍDICA
CB-1 CB-2
SNC, Reproductivo, Inmune y digestivo
Pulmón, bazo y testículos
Cannabinoides: Uso “recreativo” (ilegal) y uso terapéutico (glaucoma,
vómitos inducidos por quimio, analgésico en cáncer y esclerosis
múltiple)
Cancer Cell 13 (2008) 291 PNAS 105 (2008) 6109
BMC Systems Biology 3:1 (2009) 1
ErbB1 (EGFR), ErbB2, ErbB3 implicados en el desarrollo y proliferación del cáncer. ErbB4 implicada en la inhibición de crecimiento más que en la proliferación
BIOPHYM HOY
ESTUDIO DE LA PROPAGACIÓN DE LA ENFERMEDAD DE CHAGAS PROTEINAS MEDIADORAS DEL CANCER
HOSPITAL VAL D’HEBRON SINO BIOLOGICAL
ESTRUCTURA FUNCIONAL DE NEUROPÉTIDOS-TRANSTORNOS DEL ESTADO DE ANIMO
Participación en Ibercivis-grid
Colaboraciones con empresas multinacionales (Procesos de cristalización y estructura de fases en matrices poliméricas)
Colaboraciones externas otros grupos (desarrollos de herramientas de computación)
REPSOL DOW CHEMICAL
GRUPO INTERDISCIPLINAR
(Fisicos, Quimicos, Biologos, informáticos)
FINANCIACIÓN POR PROYECTOS PÚBLICOS Y CONTRATOS CON EMPRESAS
OUTPUTS: ARTÍCULOS Y CITAS
2000 2002 2004 2006 2008 2010 20120
300600900
12001500180021002400
Nº d
e cit
as a
cum
ulad
o
Año
2000 2002 2004 2006 2008 2010 20120
50
100
150
200
250
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 20120
3
6
9
12
15
FísicaCiencia de Materiales
Año
Biophym (13.5 citas/articulo)
Polymer (3.573)Organometalics (4.204)Macromolecules (4.837)
Indi
ce d
e im
pact
o
TESIS DE PASANTIA Propiedades viscoelásticas en estado fundido y estudio de los fenómenos de orientación en mezclas de poliolefinas, Septiembre 2011
Grisel Zapino Guzmán
TESIS DE PASANTIA Propiedades viscoelásticas en el régimen lineal en estado fundido de mezclas de poliolefinas, Abril 2012
Adriana Jargour Pinto
TESIS DE PASANTIA Morfología de monocristales de polietileno ramificado en disolución diluída, Abril 2012
Nathalie Jargour Pinto
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)
Ernesto Vicente Alique
TESIS DE PASANTIA Efecto de la estructura molecular en la respuesta viscoelástica de nanocompuestos de polietileno y nanotubo, Octubre 2011
Yudith A. da Silva Caires
Mención de Honor
TESIS DE PASANTIA Simulación del crecimiento de moléculas de PE en presencia de nanotubos de carbono, Enero 2012
Karina Jerónimo Martínez
Mención de Honor
Resultados recientes de estudiantes de pregrado por estancias cortas en Biophym
Estancias cortas: 2011-2012
MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN OS ESPERAMOS EN BIOPHYM