Molecular modeling of poly L-lactic acid with lipid bilayer

This master thesis is part of the European research project GoNanoBioMat and it investigates the interaction of the polymer Poly L-Lactic Acid with a lipid bilayer, here representing a cellular membrane. Poly L-Lactic Acid is a promissory material for drug delivery applications through the synthesis of nanoparticles, but so far there is no complete characterization of it concerning the details in which it may interact with the human body and possible side effects. A Safer-by-Design (SbD) approach needs to be taken before the mass utilization of this material and it includes the studying of many aspects regarding its chemical-physical properties and interaction with other molecules behavior, by experimental and also computational investigation protocols. The present work is focused on the interaction behavior of PLLA with a dioleoylphosphocholine (DOPC) lipid bilayer (here representing a cellular membrane) by means of a computational protocol: Molecular Dynamics (MD). MD allows the study in details of systems, complementing the experimental activity by providing insights that cannot be obtained in the laboratory. Here the all-atom (AA) approach was adopted, meaning all the atoms of the involved components were represented in the simulations, therefore achieving an exhaustive overview of the system and the highest level of information. Besides, this first investigation with the AA approach is mandatory in order to proceed with the investigation of PLLA nanoparticles with lipid bilayers: here a PLLA model chain was investigated at full atomistic scale in order one is able to obtain the parameters needed for the modeling of bigger chains and nanoparticles in sequential studies. The first part of the work consisted in the construction and validation of proper PLLA and lipid bilayer models. The validation of the obtained values for the PLLA and lipid bilayer simulations with experimental activity underlines how molecular dynamics can be a useful and powerful tool to predict systems properties and behaviors. The second part of the work consisted in the study of the permeation of the polymer into the bilayer. The main outcome from the simulations of the coupled system was the obtainment of the free energy profile (Potential of Mean Force – PMF) of the system along the distance axis between PLLA and lipid bilayer centers of mass, by means of Umbrella Sampling (US) and Weighted Histogram Analysis Method (WHAM) procedures. The obtained energy profile accused a binding region of minimum energy at distance of 0.25 nm from the center of the bilayer and the energy barrier for the penetration of the PLLA chain in the bilayer equal to 2 kcal mol-1. The results and insights emerged from this thesis are supposed to be directly used inside the same GoNanoBioMat project to confront experimental results and providing the information needed to build and parameterize PLLA bigger chains and nanoparticles in the sequential studies.

Questa tesi di laurea è inserita all'interno del progetto di ricerca europeo GoNanoBioMat eè focalizzata sullo studio delle interazioni del polimero acido Poli-L-lattico (PLLA) con una membrana lipidica, che qui rappresenta una membrana cellulare. Il PLLA è un materiale promettente per le applicazioni inerenti il rilascio controllato di farmaci attraverso la sintesi di nanoparticelle, ma finora le specifiche interazioni alle quali una nanoparticella è soggetta una volta iniettata nell’organismo ed i possibili effetti collaterali non sono stati caratterizzati in dettaglio. È necessario adottare un approccio più sicuro prima dell'utilizzo di massa di questo materiale e questo comprende lo studio di molti aspetti riguardanti le sue proprietà chimico-fisiche e l'interazione con altre molecole, mediante protocolli sperimentali e di indagine computazionale. Il presente lavoro si è concentrato sul comportamento del PLLA nella interazione con un doppio strato lipidico di dioleoilphosphocholine (DOPC) (che qui rappresenta una membrana cellulare) per mezzo di un protocollo computazionale basato su simulazioni di dinamica molecolare (MD). MD consente uno studio dettagliato del sistema d’interesse ed è complementare alla attività sperimentale, poiché cattura proprietà del sistema che difficilmente possono essere studiate in laboratorio. Qui è stato adottato l'approccio atomistico (AA), il che significa che tutti gli atomi dei componenti coinvolti sono stati rappresentati nelle simulazioni, ottenendo quindi una panoramica completa del sistema e il più alto livello di informazioni. Inoltre, questa prima indagine con l'approccio AA è obbligatoria per procedere allo studio di nanoparticelle di PLLA con membrane lipidiche: qui è stato studiato un modello di catena di PLLA in modo atomistico così da ottenere i parametri necessari per la modellazione di catene più grandi e nanoparticelle in studi successivi. La prima parte del lavoro è consistita nella costruzione e validazione di modelli appropriati di PLLA e di doppio strato lipidico. La validazione dei valori ottenuti per le simulazioni PLLA e doppio stratto lipidico con attività sperimentale sottolinea come la dinamica molecolare possa essere uno strumento utile e potente per predire proprietà e comportamenti dei sistemi. La seconda parte del lavoro è consistita nello studio della diffusione del polimero all’interno della membrana lipidica. Il risultato principale delle simulazioni del sistema accoppiato è stato l'ottenimento del profilo di energia libera (Potenziale di Forza Medio - PMF) del sistema lungo l'asse di distanza tra i centri di massa del PLLA e doppio strato lipidico, mediante Umbrella Sampling (US) e Weighted Histogram Analysis Method (WHAM). Il profilo energetico ottenuto ha evidenziato un minimo a distanza di 0.25 nm dal centro del doppio strato e la barriera di energia per la permeazione della catena di PLLA nel doppio strato pari a 2 kcal mol-1. I risultati e gli approfondimenti emersi da questa tesi possono essere direttamente utilizzati all'interno dello stesso progetto GoNanoBioMat per confrontare risultati sperimentali e fornendo le informazioni necessarie per costruire e parametrizzare catene di PLLA con più unità monomeriche e nanoparticelle in studi successivi.