Mesoscopic modeling of dna under the influence of mechanical and thermal forces

Resumen

INTRODUCCION El ADN es la biomolécula en la que se encuentra almacenada la información genética de todos los organismos vivos. En efecto, la secuencia de bases en un segmento de ADN o gen constituye el mapa para la posterior construcción de las proteínas encargadas de todo el funcionamiento a nivel celular. En condiciones fisiológicas, el ADN está formado por dos cadenas poliméricas entrelazadas que dan lugar a una doble hélice. Aunque varias de sus propiedades pueden derivarse de esta estructura, el entendimiento del funcionamiento del ADN requiere una descripción dinámica que tenga en cuenta las variaciones que experimenta la molécula ante estímulos externos. Por ejemplo, durante los procesos de replicación y transcripción las dos cadenas se separan localmente. Esta apertura involucra importantes cambios conformacionales como la pérdida de helicidad y la ruptura de enlaces por puentes de hidrógeno entre las bases complementarias. Durante estos procesos el ADN está sometido a distintos esfuerzos mecánicos. Dichas interacciones operan en combinación con las fuerzas térmicas que resultan de las condiciones de temperatura y solvente en las que se encuentra el ADN en condiciones fisiológicas. Por esta razón, el estudio de las propiedades térmicas y mecánicas del ADN cobra especial importancia para la comprensión de las interacciones intra e intermoleculares a nivel celular. Uno de los métodos para el estudio de biomoléculas es la modelación y la simulación computacional. Dependiendo de las escalas temporal y espacial de la propiedad de interés, se utilizan varios enfoques para modelar el ADN. Por una parte se encuentran las simulaciones con detalle atómico, en la que cada átomo es representado por una esfera y las interacciones entre esferas mediante funciones de energía potencial clásicas. Los grados de libertad de los electrones no se tienen en cuenta explícitamente y la dinámica del sistema se obtiene mediante la integración numérica de las ecuaciones del movimiento de Newton. Con los recursos computacionales actuales estas simulaciones están restringidas a tiempos del orden de los microsegundos y a unas decenas de pares de base. Esto limita el uso de la simulación con resolución atómica en procesos que involucren escalas mucho mayores. Por este motivo se han propuesto varios modelos a escalas intermedias o mesoscópicas en las que los grados de libertad atómicos se condensan en unas pocas variables que capturan los movimientos esenciales permitiendo así aumentar las escalas espaciales y temporales del sistema bajo estudio. En esta tesis estudiamos ¿propiedades mecánicas y térmicas del ADN" con diferentes modelos mesoscópicos. Específicamente nos centramos en procesos que involucran la separación de la doble hélice y el estiramiento: 1) la dinámica de separación de los pares de bases en presencia de fuerzas oscilatorias; 2) los mecanismos responsables de la transición de sobre-estiramiento y 3) el desplegamiento mecánico de quadruplex. El estudio de la influencia de las fuerzas oscilatorias está motivado, por un lado, por el posible efecto resonante a frecuencias en el orden de los THz en la dinámica del ADN [1]. Por otro lado, las fuerzas oscilatorias pueden generarse mediante la utilización de experimentos de molécula individual y dar lugar a procesos resonantes asistidos térmicamente [2,3]. El segundo problema analizado en este trabajo es la transición de sobre-estiramiento de la doble hélice [4,5]. Durante esta transición el ADN prácticamente dobla su longitud de contorno. Resultados experimentales muestran que el mecanismo de la transición y la naturaleza de la molécula en el estado ¿sobre estirado¿ dependen de la temperatura, condiciones de la solución y composición de la cadena [6]. Por último estudiaremos el despliegue mecánico de ¿quadruplex¿ de ADN. Los quadruplex son estructuras no canónicas formados por ADN de una sola cadena. Una misma secuencia de ADN puede formar quadruplex de diferentes geometrías con diferentes estabilidades mecánicas [7,8]. DESARROLLO La herramienta básica que se utiliza en este trabajo es la simulación de dinámica molecular de Langevin. En este tipo de simulación se añade un término estocástico (específicamente un ruido blanco gaussiano) a las ecuaciones de Newton del movimiento. De esta forma se simula el efecto de la temperatura. El estudio de la influencia de fuerzas oscilatorias en la dinámica de apertura de la molécula se realiza en el marco del modelo de Peyrard-Bishop-Dauxois (PBD) que reduce la estructura del ADN al de una cadena unidimensional [9]. Específicamente, estudiamos dos fenómenos que dependen de la separación de los pares de base: la desnaturalización térmica y la mecánica. En ambos fenómenos determinamos las frecuencias características que pueden dar lugar a efectos resonantes y analizamos la respuesta mecánica en función de dichas frecuencias. Para el estudio de la transición de sobre-estiramiento hemos propuesto un modelo que combina la dinámica tridimensional de un polímero (mediante un modelo de bolas y muelles) con la separación local que sufre la cadena debido a fuerzas de estiramiento en la dirección de la doble hélice. La dinámica del grado de libertad de apertura es modelada mediante un modelo PBD dependiente de la fuerza de estiramiento. Por último, estudiamos el desplegamiento mecánico de quadruplex de ADN a dos escalas de simulación. Primero, hemos utilizado simulación con detalle atómico para correlacionar los cambios estructurales del quadruplex con las curvas de fuerza extensión. La limitante principal en este tipo de simulaciones es que la velocidad de estiramiento que debe utilizarse es varios órdenes de magnitud superior a las utilizadas experimentalmente, dando como resultado fuerzas mayores que las de dichos experimentos. Por este motivo, hemos desarrollado un modelo mesoscópico con el que somos capaces de explorar condiciones de estiramiento próximas a las experimentales. CONCLUSIONES En este trabajo hemos utilizado diferentes modelos para estudiar la respuesta del ADN bajo la influencia de fuerzas mecánicas y térmicas. Específicamente, hemos estudiado la influencia de fuerzas oscilatorias en la dinámica de apertura de los pares de base, el mecanismo de ¿melting¿ en la transición de sobre-estiramiento y el desplegamiento mecánico de quadruplex Los resultados de nuestro estudio muestran la presencia de dos mecanismos de resonancia en la dinámica de apertura de los pares de base del ADN en presencia de fuerzas oscilatorias. Estos mecanismos dependen de la frecuencia de las fuerzas y del régimen de amortiguamiento del sistema. El primero es un tipo de resonancia mecánica a frecuencias en el orden de los modos normales de oscilación y en condiciones de sub-amortiguamiento. El segundo es un fenómeno de optimización entre las tasas de escape térmico y la frecuencia de oscilación de la barrera energética entre el estado abierto y cerrado de los pares de base. Este último es observado en un rango amplio de valores de amortiguamiento. Posteriormente hemos propuesto un modelo dinámico mesoscópico para describir el mecanismo de melting en la transición de sobre-estiramiento del ADN. En el marco de este modelo las curvas de fuerza-extensión experimentales son reproducidas con bastante exactitud. La principal limitación del modelo es que la fuerza de sobre-estiramiento no se obtiene directamente de las simulaciones lo que trae como consecuencia que el modelo funcione correctamente solo a temperatura ambiente. Proponemos también una vía para describir otro de los mecanismos responsables de la transición de sobre-estiramiento: la transición a un estado llamado S-DNA. Ambos modelos pueden combinarse para describir de forma simultánea los dos mecanismos principales de la transición. Finalmente estudiamos el desplegamiento mecánico de quadruplex de ADN. Las simulaciones con detalle atómico muestran que las fuerzas de ruptura están correlacionadas con la pérdida de coordinación entre los iones centrales y las guaninas, y la ruptura de las interacciones por puente de hidrógeno. Sin embargo, las fuerzas de ruptura que se obtienen son un orden de magnitud mayor que las experimentales debido a los valores altos de velocidad que es necesario utilizar en las simulaciones. Para explorar condiciones de estiramiento más próximas a las experimentales, hemos desarrollado un modelo de bolas y muelles similar al utilizado para la transición de sobre-estiramiento. El modelo es capaz de reproducir la influencia de las diferentes condiciones de estiramiento en las curvas de fuerza extensión. Específicamente las fuerzas de ruptura son dependientes de la velocidad en la que sea realiza el estiramiento. REFERENCIAS [1] Alexandrov, B. S., Gelev, V., Bishop, A. R., Usheva, A., & Rasmussen, K. Ø. (2010). 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