Sviluppo di modelli Coarse-Grain per lo studio in silico dell'interazione tra nanoplastiche e proteine umane

Plastic waste in the environment is one of the biggest concerns nowadays. In fact, the entry of nano-sized plastics (nanoplastics) into the human body and the consequent accumulation in tissues can be a threat to human health. In this work, the interaction between nanoplastics and human proteins was studied to better understand the formation of the protein corona in vivo. In particular, the analysis focuses on the conformational changes on proteins’ structure due to the interaction with the nanoplastic, and on the identification of the amino acids with more affinity to nanoplastics. The tool used were microsecond-long molecular dynamics simulations applied to systems containing Coarse-Grain models of small nanoplastics (polystyrene, polyethylene, polypropylene) and common human proteins (lysozyme, albumin, and apolipoprotein). The results showed that nanoplastics tend to form bonds with hydrophobic and aromatic amino acids and that there are no specific binding regions on the different proteins. Furthermore, the proteins do not undergo conformational changes following the interaction, and this could be due to the limitations of the Coarse-Grain model or the reduced simulation time. The results in terms of amino acid types mediating the protein-nanoplastic interaction agree with the available literature, while the absence of a conformational change in proteins’ structures is only partially in agreement with the literature. Further studies, using atomistic models and/or longer simulations, could help to overcome the current limitations and corroborate the results obtained.

I rifiuti plastici nell’ambiente rappresentano, ad oggi, una delle problematiche più preoccupanti. Infatti, l’ingresso di plastiche di dimensioni nanometriche (nanoplastiche) all’interno del corpo umano ed il conseguente accumulo nei tessuti, può rappresentare una minaccia per la salute umana. In questo lavoro di tesi è stata studiata l’interazione tra nanoplastiche e proteine umane per comprendere meglio la formazione della corona proteica in vivo. In particolare, l’analisi si focalizza sulle conseguenze conformazionali subite dalle proteine a seguito del legame con la nanoplastica e sull’individuazione degli aminoacidi più affini alle nanoplastiche. Lo strumento utilizzato sono state simulazioni di dinamica molecolare nell’ordine dei microsecondi, applicate a sistemi contenenti dei modelli Coarse-Grain di nanoplastiche di piccole dimensioni (polistirene, polietilene, polipropilene) e di comuni proteine umane (lisozima, albumina e apolipoproteina). Dai risultati è emerso che, tendenzialmente, le nanoplastiche formano legami con aminoacidi idrofobici e aromatici e che, sulle singole proteine, non esistono delle regioni specifiche ricorrenti nel contatto. Le proteine, inoltre, non subiscono cambiamenti conformazionali a seguito dell’interazione e questo potrebbe essere dovuto ai limiti del modello Coarse-Grain o ai tempi ridotti di simulazione. I risultati in termini di tipologie di aminoacidi che mediano l'interazione proteina-nanoplastica sono in accordo con la letteratura disponibile, mentre l'assenza di un cambiamento strutturale delle proteine legate è solo parzialmente in accordo con la letteratura. Ulteriori studi, usando modelli atomistici e/o simulazioni più lunghe potrebbero aiutare a superare le limitazioni correnti e corroborare i risultati ottenuti.