Molecular modelling of chitosan and 3-hydroxyalkanoate polymers

This thesis work evaluates the interaction of chitosan and homopolymeric poly(3-hydroxydecanoate) with a lipid bilayer in the presence of ions so to simulate the biological environment of a cell membrane. It is inserted in the European project GoBioNanoMat Project, which aims at establishing a consolidated procedure for the development and production of polymeric nanobiomaterials for drug delivery by small and medium enterprises, their suppliers and research institutes through the safe by design (SbD) approach. Both polymeric chains were simulated individually with the lipid bilayer in a full atomistic simulation of its molecular dynamics. The work was divided into two parts: the first consisted in building the structures for Chitosan and P3HD to be simulated alone in water at 310K (body temperature) for model validation following the standard simulation procedure for molecular dynamics. With the energetically minimized structures, a joined system was built with a previously equilibrated dioleoylphosphocholine (DOPC) lipid bilayer that represents the cell membrane. The interaction and passive permeation of the bilayer by each polymer were evaluated on the second part of the work with the Potential Mean Force (PMF) method employing the Umbrella Sampling method for enhanced sampling. For the model validation of the polymers, the root mean square displacement and radius of gyration of the chains were analyzed. It was verified that the P3HD folded when solvated in water while chitosan did not exhibit any meaningful changes in conformation. Further study of the energies was performed and the link between the hydrophobic effect and the van der Waals interactions was demonstrated. The free energy landscape for the membrane partitioning was calculated in accordance with the Weighted Histograms Analysis Method (WHAM) with the sampling obtained with a spring-like biased potential of harmonic constant equal to 2.5 kcal/mol. The overall sampling obtained was considered good with the exception of a few high energy coordinates. Chitosan was not able to penetrate the bilayer and its PMF accused a bidding region on the surface of the bilayer. The P3HD chain displayed opposite results with an energy maximum on the surface of the bilayer. The results obtained will be used in future work inside GoBioNanoMat project for comparison with experimental results and attainment of the parameters for the construction of the coarse grain models for the simulation of nanoparticles.

Questo lavoro di tesi valuta l'interazione di chitosano e dell’omopolimero poli (3-idrossidiecanoato) (P3HD) con un doppio strato lipidico in presenza di ioni in modo da simulare l'ambiente biologico di una membrana cellulare. È inserito nel progetto europeo GoBioNanoMat Project, che mira a stabilire una procedura consolidata per lo sviluppo e la produzione di nanobiomateriali polimerici per il rilascio controllato di farmaci da parte di piccole e medie imprese, i loro fornitori e istituti di ricerca attraverso un approccio Safe by Design (SbD). La permeazione delle singole catene attraverso il doppio strato lipidico è stata caratterizzata attraverso simulazione su atomistica mediante dinamica moleculare. Il lavoro consisteva in due parti: la prima parte si è basata sulla costruzione delle strutture per chitosano e P3HD da simulare in acqua a 310 K (temperatura corporea) per la convalida del modello. Con le strutture energeticamente minimizzate è stato costruito un sistema unito con un doppio strato lipidico dioleoilfosfocolina (DOPC) precedentemente equilibrato che rappresenta la membrana cellulare. L'interazione e la permeazione passiva del doppio strato da parte di ciascun polimero sono state valutate sulla seconda parte del lavoro con il Umbrella Sampling per il sampling delle conformazioni, adottando la distanza tra i centri di massa del polimero e della membrana come coordinata di reazione. Il Potenziale di Forza Media (PMF), rappresentativo della energia libera del sistema, è stato in seguito calcolato in funzione della coordinata di reazione con il metodo degli istogrammi ponderati (WHAM). Per la validazione del modello dei polimeri sono stati analizzati lo spostamento quadratico medio e il raggio di girazione delle catene. È stato verificato che la catena di P3HD si ripiegava in soluzione acquosa mentre il chitosano non mostrava cambiamenti significativi nella conformazione, rimanendo completamente esteso. È stato eseguito un ulteriore studio delle energie e il legame tra l'effetto idrofobico e le interazioni di van der Waals è stato dimostrato. Il profilo di energia libera per la partizione della membrana è stato calcolato in base al metodo di analisi degli istogrammi ponderati adottando un potenziale armonico di bias avente costante armonica pari a 2,5 kcal/mol. Il campionamento complessivo ottenuto è stato considerato buono ad eccezione di poche coordinate ad alta energia. Il chitosano non era in grado di penetrare il doppio strato ed il profilo di energia libera evidenzia un minimo all’interfaccia tra la membrana ed il solvente. La catena di P3HD è stata in grado di penetrare nella membrana e la conformazione in cui la catena è al centro della membrana e non più esposta al solvente rappresenta il minimo del profilo di energia libera. I risultati ottenuti saranno utilizzati nei lavori futuri all'interno del progetto GoBioNanoMat per il confronto con i risultati sperimentali e l’ottimizzazione dei parametri per la costruzione dei modelli coarse grain per la simulazione di nanoparticelle.