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