Small and Large, Charged Molecules in Solution and at Interfaces

Abstract

The influence of small and large, charged molecules on the properties of aqueous interfaces has important implications in chemistry, biology, and medicine. For example, at the surface of marine aerosols, the presence of halide anions and tropospheric gases gives way to multiphase chemical reactions affecting climate and air quality. In this Thesis, we investigate three different systems and phenomena at the interface using molecular simulations, experiments, and theory.
A new accurate all-atom force field is developed to study thiocyanate ions in solution and at the interface. We show how different cations affect the properties of NaSCN and KSCN bulk aqueous solutions and, supplementing vibrational sum frequency spectroscopy, our simulations indicate that the thiocyanate anion has a higher affinity for hydrophobic surfaces with exposed methyl groups than for the air−water interface.
Combining coarse-grained simulations and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring experiments, we develop an analytical model to study the adsorption of amyloid fibrils onto oppositely charged lipid bilayers. The model shows that short, rigid fibrils adsorb more onto oppositely charged surfaces than long fibrils.
A computationally efficient coarse-grained model is developed to investigate the interaction of cationic peptides with lipid membranes. Additionally, we use small-angle X-ray scattering experiments and all-atom simulations to study the solution behavior of arginine-rich cell-penetrating peptides. Despite their large positive charge, we find that arginine decapeptides self-associate in aqueous solution. We elucidate the molecular origin of the attraction, and highlight its common occurrence in protein crystal structures.

Abstract (Swedish)

Växelverkningar mellan små och stora molekyler har konsekvenser för reaktioner som kemister utför i sina provrör, lika mycket som för de livsnödvändiga reaktionerna som sker i vår kropp och våra celler. Förståelsen av dessa växelverkningar är nyckeln till att kunna utnyttja dem till vår fördel, till exempel i industriella processer eller i utveckling av mediciner. För att uppnå detta kan man utföra experiment med avancerade verktyg, till exempel när man försöker undersöka molekylära växelverkningar med röntgenstrålning. Tyvärr är dessa kraftfulla tekniker dyra och i allmänhet oförmögna att observera enskilda molekyler. I den här avhandlingen konstruerade vi nya datorbaserade modeller för att förutse och visa i detalj på hur vissa av dessa växelverkningar påverkar våra system, samtidigt som vi analyserar den information som kan erhållas från experiment. Specifikt undersökte vi de växelverkningar som sker vid gränsen mellan vatten—runt celler eller i ett provrör—och luft eller en mikroskopisk yta—såsom ett protein eller ett cellmembran.
I ett av dessa system, beskriver vi beteendet hos små molekyler som kallas tiocyanatjoner. Detta då de är viktiga inom såväl industri som biokemiska laboratorier. Den utvecklade datormodellen kan exakt förutse beteendet hos tiocyanatjoner vid olika gränsskikt.
Vi tittar också på märkliga biologiska processer som växelverkningen mellan en cells yttre membran och amyloidfibriller. Amyloidfibriller är stavformade klumpar av proteinliknande molekyler och är vanligtvis kopplade till flera sjukdomar såsom Alzheimers sjukdom. Vi har utvecklat datormodeller för att undersöka fibril-membran interaktionen, eftersom denna anses vara en viktig del mot att förstå fibrillernas giftiga verkan. Denna förvärvade kunskap kan få betydelse för att förklara de molekylära mekanismerna bakom sjukdomar och att utforma läkemedel mot dem.
Slutligen har vi utvecklat modeller och utfört experiment samt datorberäkningar i syfte att förstå hur och varför vissa molekyler som kallas cellpenetrerande peptider enkelt kan ta sig in i celler. Resultaten kan bidra till att designa nya cellpenetrerande peptider som kan styra läkemedel in i celler.

• author: Tesei, Giulio
• supervisor: Mikael Lund; Jan Forsman
• opponent: Professor Tobias, Douglas J., University of California, Irvine, USA
• organization: Computational Chemistry
• alternative title: Små och stora, laddade molekyler i lösning och vid gränsskikt
• publishing date: 2018-08
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Theoretical Chemistry; Physical Chemistry
• keywords: molecular modeling, MD simulations, statistical mechanics, SAXS, QCM-D, Hofmeister series, amyloid fibril, lipid bilayer, cell-penetrating peptide, molekylär modellering, MD simuleringar, MC simuleringar, statistisk mekanik, SAXS, QCM-D, amyloidfibriller, cellmembran, cellpenetrerande peptider
• pages: 182 pages
• defense location: Lecture hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
• defense date: 2018-09-28 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-588-4
• ISBN: 978-91-7422-589-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1042085b-b257-4f42-bb14-8b266688eed3
• date added to LUP: 2018-08-21 15:11:45
• date last changed: 2021-03-26 11:21:04