Solvatacija in vpliv narave ionov v bioloških sistemih

Hidratirani ioni so prisotni v skoraj vseh bioloških sistemih. Za razumevanje lastnosti teh sistemov je pomembno vedeti, kako obravnavati interakcije, ki so odvisne od narave ionov, še posebej v prisotnosti hidrofobnih skupin. Ti iono–specifični vplivi  (ISE) so značilni za raztopine  (bio)polielektrolitov in površinsko aktivnih snovi, nastanejo pa tudi ob nabiti površini.  Zaznamo jih kot zaporedje, znano pod imenom Hofmeistrova vrsta, ki razvršča elektrolite po njihovem vplivu na različne fizikalne količine. Da bi razumeli te pojave, potrebujemo merske podatke za sorazmerno preproste makromolekule, ki jim lahko spreminjamo hidrofobnost, gostoto naboja na poliionu in sestavo raztopine. Te podatke, pridobljene v našem laboratoriju, bomo teoretično analizirali in zaključke posplošili na bolj zapletene biološke molekule. Eden izmed ciljev raziskave je razumeti, kako prisotnost hidrofobnih skupin spremeni medsebojno delovanje dveh nabojev v vodi, drugi je prispevati k razumevanju vpliva ISE v mešanicah elektrolitov na topnost proteinov.  Upamo pa tudi, da bomo lahko prispevali k izboljšavi modelov, ki se trenutno uporabljajo pri simulacijah bioloških sistemov.  Problema se bomo lotili takole. (a) Merili bomo električni transport, topnost, toplotne kapacitete, toplote mešanja in pa lastnosti, povezane z dimenzijami makromolekule kot jih podajajo merjenja SANS, SAXS in DLS. (b) Teoretično –  za interpretacijo merjenj bomo uporabili teorijo, ki smo jo razvili s sodelavci v Lvivu (“associated mean spherical approximation”, AMSA) in omogoča izračun termodinamskih lastnosti v raztopinah, kjer so molekule topila obravnavane enakovredno z ioni. (c) Simulirali bomo dinamiko molekul (MD) v raztopinah oligoionov ter tudi v drugih biološko zanimivih sistemih. (i)  Kationski polielektroliti (x,y–ioneni) so idealne molekule za študij sočasnega vpliva nabojev in hidrofobnih skupin na lastnosti raztopine. Nadaljevali bomo z raziskavami teh raztopin z različnimi protiioni, od kosmotropov (F–) do kaotropov (I–). Merili bomo toplotno kapaciteto, toplote mešanja, konformacijske spremembe pa bomo določili s sipanjem nevtronov v Saclayu ter s SAXS in DLS v našem laboratoriju. Nadaljevali bomo s simulacijami ionenov in priredili teorijo, osnovano na rešitvi integralske enačbe (AMSA), ki smo jo pred časom predlagali za ta primer. (ii) Raziskali bomo vedenje modelnega proteina (lizocim) v vodnih raztopinah alkalijskih halogenidov. Spreminjali bomo vrsto soli in sicer tako, da bosta oba iona kaotropa (kosmotropa) ali pa bomo imeli kombinacijo kosmotrop–kaotrop. Pomembne podatke o solvataciji posameznih vrst ionov in nabitih skupin že poznamo iz prejšnjih raziskav ali iz literature. Predpostavili bomo, da je elektrostatski potencial posledica nabojev, ki jih lahko glede na kraj nahajanja razdelimo v več gruč. Za izračun merljivih količin bomo uporabili že prej omenjeno teorijo AMSA.  Izračunali bomo osmozne koeficiente raztopine; ta količina je v tesni zvezi s sposobnostjo soli, da kristalizira  določeni protein. Imamo že lastne podatke o topnosti lizocima v ternarnih sistemih z PEG, ki jih bomo dopolnili z meritvami za druge proteine. (iii) Približevanje dveh ionov v vodi je povezano z delno desolvatacijo enega ali obeh ionov.  Reverzibilno izotermno delo, potrebno da prenesemo iona iz neskončnosti do neke razdalje (potencial povprečne sile; PPS), je torej količina osnovnega pomena. S simulacijami MD želimo raziskati povezavo med PPS funkcijami, izračunanimi za različne modele vode in ionov in osmoznimi koeficienti raztopine, ter oceniti, kateri modeli (polja sil) dajo smiselen rezultat. Poleg tega želimo posebej ovrednotiti entalpijski in entropijski prispevek k PPS. Slednjega bi lahko imenovali  tudi “prstni odtis” iono-specifičnega vpliva. Tako pridobljeno znanje želimo nato uporabiti na bolj zapletenih sistemih ter za kritično preverjanje (in izboljšavo)  modelov, ki se uporabljajo pri simulaciji biofizikalnih sistemov.

Na primeru dveh različnih polielektrolitov, enega kationskega in drugega anionskega, smo pokazali, da ni pomembna le narava skupine na poliionu in soli v raztopini ampak tudi okolje kamor je ta skupina umeščena. Če je okolje hidrofobno (na primer 12,12-ioneni), se interakcija z ioni v vodi lahko bistveno spremeni. Posledica je, da se zaporedje ionov v Hofmeistrovi vrsti (le-ta ni v celoti pojasnjena, čeprav prva dela segajo v 19. stoletje), ki opisuje neko lastnost, zamenja. Opazovani pojav ima pomen za razumevanje obarjanja proteinov, ki poteka ob dodatku različnih soli. Naš projekt sodi med osnovne raziskave - na dobro definiranih polielektrolitskih raztopinah smo proučevali medsebojni vpliv ionskih interakcij in hidrofobnega efekta. Članki so objavljeni v uglednih revijah s tega področja znanosti.

Katedra za fizikalno kemijo, FKKT, Univerze v Ljubljani, je edina v Soveniji, ki se poglobljeno ukvarja z vodnimi raztopinami elektrolitov, površinsko aktivnih snovi, polielektrolitov in biopolimerov (DNA, proteini), ter podobnimi. Ker so vodne raztopine edine, ki so ekološko sprejemljive, velja za te raziskave tudi določeno zanimanje s strani industrije: (CERAR, Janez. [Vodna kemija za barvno industrijo : HELIOS, Tovarna barv, lakov in umetnih smol Količevo, d.o.o., Domžale, 24. 4. 2013]. [2013]. [COBISS.SI-ID 36864517]. Članki na osnovi naših raziskav so bili objavljeni v najuglednejših revijah s področja fizikalne kemije. Delo pa je bilo predstavljeno tudi v obliki predavanj na večih mednarodnih konferencah in tujih univerzah.