JAMR - Facultad de Química UNAM

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA METALÚRGICA
SEMESTRE 2017-1
Simulaciones Moleculares de Biosensores
Asesor Externo Dr. José Antonio Moreno Razo
Departamento de Física,
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
Introducción
Los cristales se pueden encontrar por todas partes en la naturaleza y en la vida diaria[1], “cada día, te
despiertas con una alarma que es un cristal piezoeléctrico en un reloj que mide el tiempo con un cristalito de
cuarzo y ves que son las 7:30 am en unos números nítidamente dibujados por una sustancia llamada cristales
líquidos. Inmediatamente te levantas de la cama y te yergues sustentado por un esqueleto de cristales. Cepillas
tus dientes con una crema compuesta por principalmente por nanocristales de un material abrasivo. Te diriges a
la cocina y al café le pones azúcar cristalizada y justo a antes de salir empacas en tu mochila un trozo de
chocolate que consiste en uno de los cinco polimorfos del cacao cristalizado. Te dispones a salir y, antes,
utilizas con una crema cuya base son pequeñísimos cristales de rutilo. Realizas una llamada con el teléfono
móvil, gracias a los semiconductores fabricados con cristales de silicio y, otra vez una pantalla de cristal líquido
en ella se reflejan formas y colores bien definidos…,” así podríamos seguir todo el día mencionado ejemplos
donde se utilizan los cristales[2]. Los minerales son los cristales que nos regala la naturaleza. La inmensa
mayoría de los minerales que forman las rocas son cristales. Los propios copos de nieve no son otra cosa que
agua cristalizada. En muchos casos, esos minerales exhiben las hermosas formas poliédricas de cantos
afilados que nos hablan del orden interno de la materia cristalina. Las joyas y piedras semipreciosas suelen
hallarse en la naturaleza como minerales cristalizados. Y más allá de eso, el estudio de las propiedades de los
cristales naturales permite mejorar la tecnología de extracción y el beneficio de los metales en la minería
moderna, luego entonces, la mineralogía es la ciencia que estudia los minerales, es una rama de la geología.
Un mineral es una sustancia sólida, inorgánica, de origen natural, con una composición química definida y fija (o
con límites muy concretos de variabilidad) y con una estructura reticular ordenada (estructura cristalina)[3].
Las nuevas tecnologías utilizan cristales líquidos para los relojes, teléfonos, TVs, etc., cristales para los
láseres, semiconductores para los componentes electrónicos de los chips y los diodos emisores de luz (LEDs).
Actualmente se oye bastante la expresión pantalla de cristal líquido o simplemente LCD [4,5] en referencia a
equipos digitales modernos, como agendas, teléfonos o cámaras de video y fotografía, ya que suena moderna y
atractiva. Pero ¿de dónde procede el nombre de cristal líquido, y qué principio modifica con semejante precisión
la luz en una pantalla plana?[5] El nacimiento de la ciencia de los cristales líquidos tradicionalmente se sitúa en
el año de 1888, con el trabajo de Friedrich Reinitzer a quién se le da el apelativo de botánico, aunque en
términos modernos podría ser mejor bioquímico. Sin embargo, a pesar de que inicialmente los cristales líquidos
despertaron un gran interés y fueron muy estudiados durante el primer tercio del siglo antepasado, pronto
fueron relegados a un rincón de la física y cayeron rápidamente en el olvido subsistiendo sólo como curiosidad
de laboratorio. Diversos factores contribuyeron a esta pérdida de interés, uno de ellos fue el prejuicio,
fuertemente arraigado en el hombre desde la antigüedad, según el cual las tres nociones: gas, líquido y sólido
describen todas las fases de la materia. Esta actitud, aún no superada en los años 30’s del siglo pasado,
conlleva naturalmente un rechazo a la dualidad sólido-líquido exhibida por los cristales líquidos. En
consecuencia no es de extrañar que la aparente ambigüedad en el punto de fusión descubierta por Reinitzer se
atribuyen únicamente a la presencia de impurezas en el sistema bajo estudio[5].
A los materiales liquido-cristalinos se les conoce por exhibir una amplia gama de propiedades físicas y
químicas tanto en aplicaciones tecnológicas, así como en los sistemas biológicos. En sistemas biológicos, la
naturaleza quimio-sensible de las membranas biológicas, por ejemplo: la extraordinaria fuerza de la tela de
araña y las propiedades reológicas de, por ejemplo la baba de babosas, todas surgen de la cristalinidad líquida.
En las aplicaciones tecnológicas, los cristales líquidos son, por supuesto, explotados con el objetivo de múltiples
aplicaciones, especialmente en la industria electrónica donde son ampliamente utilizados en la tecnología de
visualización y detección de compuestos altamente tóxicos[6]. Inspirados por la versatilidad funcional evidente
en los sistemas biológicos, en los últimos años ha existido un creciente número de estudios que han intentado
capitalizar la capacidad de cristales líquidos para cambiar las propiedades en respuesta a estímulos externos y
así diseñar materiales activos(p.e. biosensores) para una variedad de aplicaciones que van mucho más allá de
las tan comunes (hoy en día) pantallas de cristal líquido[7].
Nuestros estudios anteriores sobre cristales líquidos han intentado esclarecer respuestas efectivas en el
comportamiento de los cristales líquidos a escala macroscópica partiendo de un nivel molecular (microscópico)
y así poder describir y entender fenómenos (macroscópicos) en interfaces: sólido-líquido, líquido-líquido o
vapor-líquido[6]. Un esfuerzo teórico y computacional en conjunto han sido particularmente útiles para ayudar a
interpretar las observaciones experimentales y nos han llevado al descubrimiento de nuevos principios y
mecanismos capaces de reaccionar a los eventos a nivel molecular[6,8].
El objetivo de esta propuesta se inspira ampliamente en observaciones experimentales sobre la
respuesta de una señal mecánica o topológica que desencadena una reorganización del sistema liquidocristalino en grandes escalas y viceversa en los sistemas biológicos.
HIPÓTESIS.
La respuesta observada a escala macroscópicas de los biosensores de cristal líquido se debe al
anclaje molecular, es decir, a la interacción de las moléculas del cristal líquido con la química de la
superficie.
OBJETIVOS.
1.- Determinar el tipo de anclaje que presenta (planar u hometrópico) el 4-cyano-4'-pentilbifenil (5CB)
en presencia de una superficie de Au y cubierta por una capa homogénea de alcanotioles de longitud
variable(-R1, -R2), utilizando simulaciones moleculares atomísticas.
2.- Determinar el tipo de anclaje (planar u hometrópico) del 4-cyano-4'-pentilbifenil (5CB) en una
superficie de Au y en presencia de una mezcla de alcanotioles, utilizando simulaciones moleculares
atomísticas.
MODELO Y METODOLOGÍA.
La física estadística está íntimamente ligada a las interacciones entre partículas[7], lo que hace
complicada la resolución de sus ecuaciones[10-13]. Para tratar de resolver este problema en la última mitad del
siglo XX se ha recurrido a las simulaciones por computadora[11,12], una poderosa herramienta que proporciona
información detallada del efecto de dichas interacciones. La simulación además, nos permite obtener
predicciones reales donde experimentalmente no es posible, es muy difícil o simplemente resulta caro [13].
En los últimos 30 años las computadoras han ocupado una posición fundamental en la ciencia debido al
aumento del poder de cálculo, tan rápido que cada cinco años la relación rendimiento/precio se incrementa en
un factor de diez. Este desarrollo ha facilitado el camino para simular en el ámbito atómico y molecular gran
cantidad de procesos físicos hasta el punto en que en la actualidad podemos decir que la computación se
constituye como un tercer modelo para hacer ciencia y comparable con la teoría y el experimento[10].
Este campo aún se encuentra en continuo crecimiento proporcionando cada día una mejor infraestructura,
nuevos y mejores algoritmos y sobre todo una mayor capacidad de cálculo. A medida que la capacidad de las
computadoras crece, la resolución de ecuaciones en sistemas con muchas partículas se realiza recurriendo a
métodos más complejos y con mayores niveles de precisión que nos acercan cada vez más al experimento
hasta el punto que se puedan obtener propiedades más complejas a las que antes sólo se podía llegar
experimentalmente. La simulaciones por computadora, nos permiten también predecir propiedades dinámicas
que son inaccesibles, difíciles o caras, de forma experimental. Sin embargo, previamente es necesario
encontrar modelos moleculares, potenciales de interacción o campos de fuerza y procedimientos de cálculo que
se ajusten a los sistemas reales. Todo esto nos lleva a poder diseñar sustancias o moléculas que posean
propiedades específicas de utilidad en las aplicaciones prácticas como por ejemplo, diseño de drogas y
fármacos , vacunas, ingeniería de proteínas o en la ciencia de materiales .
Las leyes de la termodinámica se obtuvieron experimentalmente y son aplicables únicamente a sistemas reales
macroscópicos. Sin embargo, en el seno de un sistema macroscópico hay un número enorme de átomos o
moléculas que están en constante movimiento por lo que las posiciones y velocidades de esas partículas están
variando continuamente. Para obtener propiedades macroscópicas tales como la presión, temperatura o el calor
específico es necesario promediar estadísticamente sobre estos movimientos recurriendo generalmente a la
Mecánica Estadística. Tres de los métodos mecanoestadísticos más utilizados son: las ecuaciones integrales, la
teoría de perturbaciones y las simulaciones moleculares.
Dentro de los métodos de simulación se encuentran: dinámica molecular y Monte Carlo[10-13]. El problema
matemático consiste en calcular las propiedades de equilibrio y/o las propiedades dinámicas con respecto a la
distribución de Boltzmann. Parte del atractivo de estas técnicas se encuentra en que ambos métodos son muy
sencillos de describir.
La dinámica molecular es, en resumen, la resolución numérica de las ecuaciones de Newton donde el equilibrio
térmico se establece por ergodicidad. El método de Monte Carlo (Metropolis)[12] es un camino aleatorio a
través del espacio fase utilizando aceptaciones y rechazos para obtener un equilibrio y realizando un muestreo
de la distribución de Boltzmann.
La técnica de simulación de dinámica molecular permite reproducir la parte del espacio configuracional que es
accesible al sistema a una determinada temperatura, lo que hace de la dinámica molecular una herramienta
muy útil en varios campos de la ciencia[7,9]. Al aplicar dinámica molecular a un sistema concreto, es necesario
hacer una serie de aproximaciones sobre el modelo molecular que va a determinar el nivel de precisión de los
resultados.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.
Actividad Semana 1 y Semana 2 y Semana 4 y Semana 6 y Semana 8 y Semana 10 Semana 12 Semana 14
Revisión
bibliográfica
2
3
X
X
5
Campos de
fuerza
X
Siulación
Molecular
X
Análisis de
resultados
Redacción
de informe y
presentación
7
9
X
X
y 11
y 13
y 15
X
X
X
INFRAESTRUCTURA
En el Laboratorio de Termodinámica Computacional, el alumno cuenta con una estación de trabajo para realizar
sus tareas de programación y análisis de resultados, así como también un espacio físico.
Para realizar este estudio computacional, el Departamento de Física cuenta con una supercomputadora para
realizar cálculos masivamente paralelos, ese equipo consta de 2160 procesadores y una capacidad de 152 TF
(152 trillones de operaciones de punto flotante por segundo). Además, se cuenta también con un clúster de 16
GPUs donde se realizarán los cálculos computacionales utilizando el software libre: GROMACS.
La UAMI cuenta con acceso a una amplia red de revista electrónicas donde es posible obtener información
reciente del tema de investigación, además de un amplio acervo bibliografico en sala.
BIBLIOGRAFIA
[1] “La Cristalografía sí importa: Año internacional de la cristalografía 2014”, Publicado por la United Nations
Educational, Scientific and Cultural Organization 7, place de Fontenoy, 75352 Paris 07 SP, Francia.
[2] “El arte y la ciencia de los cristales”, V. López-Acevedo ( http://www.ucm.es/tecnicasgeologicas )
[3] “Crystallography and Crystal Defects”,A. A: Kelly, K. M. Knowles, John Wiley & Sons, Feb 13, 2012
[4] G Strobl and S.P. Brown. Condensed Matter Physics : Crystals, Liquids, Liquid Crystals and
Polymers. Springer, 2003.
[5] “Crystals That Flow: Classic Papers from the History of Liquid Crystals”, T. J. Sluckin, D. A.
Dumur, H. Stegenmeyer, Taylor & Francis, Jun 1, 2004
[6] J. A. Moreno-Razo, et al., Nature, 485, 86–89
[7] “The Physics of Liquid Crystals”, P.G. de Gennes, J. Prost, Clarendon Press, Apr 27, 1995
[8] J. A. Moreno-Razo, Soft Matter, 2011,7, 6828-6835
[9] D. P. Landau and K. Binder. A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics. Cambridge
University Press, 2002.
[10] J. M. Haile.Molecular Dynamics Simulation : Elementary Methods. Wiley-Interscience, 1997.
[11] R. J. Sadus. Molecular Simulation of Fluids: Theory, Algorithms and Object- rientation. Elsevier
Science, 1999.
[12] D. Frenkel and B. Smit. Understanding Molecular Simulation. Academic Press, 2 edition, 2001.
[13] A. Leach. Molecular Modelling: Principles and Applications. Prentice Hall.