Study of the dielectric function and the non-thermal effects of alternating electric fields in lysozyme solution with molecular dynamic simulations

Μελέτη της διηλεκτρικής συνάρτησης και των μη θερμικών επιπτώσεων των εναλλασσόμενων ηλεκτρικών πεδίων σε διάλυμα λυσοζύμης με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής

Study of the dielectric function and the non-thermal effects of alternating electric fields in lysozyme solution with molecular dynamic simulations

Floros, Stylianos

Φλώρος, Στυλιανός

PhD Thesis

2017

The spread of microwave technology and new microwave applications in medicine have revitalized the interest in the dielectric behavior of biological systems. In the first part of this work the Fröhlich-Kirkwood approach and the linear response theory have been applied in conjunction with molecular dynamics simulations to study the dielectric response of a lysozyme solution as a model. The overall experimental dielectric behavior of a 9.88mM lysozyme solution has been reproduced in a quantitative manner by employing a method based on the decomposition of the hydration shells close to the solute. Detailed analysis of the calculated spectra identified two δ-processes located at 200MHz (δ1) and about 1GHz (δ2) respectively. δ1 is associated mainly with the first hydration shell, while δ2 mainly with bulk water and the second hydration shell. Moreover, indications for the existence of an even faster relaxation in the 1011 Hz frequency range were found for the first time. Also, the static dielectric constants of Lysozyme and its first and second hydration shells were calculated based on the Fröhlich-Kirkwood and the linear response theory approaches. Moreover, the use of microwaves in every day’s applications raises the need to study non thermal biological effects of microwaves. For this reason, in the second part of the present dissertation, we use molecular dynamics simulations to forward one step further the dielectric studies of protein solutions in the case of lysozyme and consider possible frequency dependent changes in the structural and dynamic properties of the system applying electric fields in the microwave region. The dielectric spectrum resulted from our previous analysis using the Fröhlich-Kirkwood approach and linear response theory has been fully reproduced. Noticeable structural changes in the protein have been observed only at frequencies near its absorption maximum. Moreover a frequency dependent reduction of the water density in the first hydration shell has been observed. Finally, the influence of the field on the kinetics of the protein-water hydrogen bonds has been studied suggesting a proper extension of Luzar & Chandler’s kinetics model for a better interpretation of the applied field results and leads to more accurate lifetime values of hydrogen bonds.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροκυμάτων καθώς και η χρήση νέων εφαρμογών μικροκυματικής ακτινοβολίας στον τομέα της ιατρικής έχουν πλέον ανανεώσει το ενδιαφέρον για την μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς των βιολογικών συστημάτων. Στο πρώτο μέρος αυτής της εργασίας εφαρμόσαμε την προσέγγιση Fröhlich-Kirkwood σε συνδυασμό με την θεωρία της γραμμικής απόκρισης για να μελετήσουμε την διηλεκτρική συμπεριφορά ενός μοντέλου διαλύματος λυσοζύμης με χρήση προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Χρησιμοποιώντας μια κατάλληλη και λεπτομερή μέθοδο διαχωρισμού των κελυφών ενυδάτωσης γύρω από το μόριο της πρωτεΐνης, καταφέραμε να αναπαράγουμε με τρόπο ποσοτικό την ολική διηλεκτρική πειραματική συμπεριφορά ενός διαλύματος λυσοζύμης συγκεντρώσεως 9.88 mM. Μετά από λεπτομερή ανάλυση των υπολογιζόμενων διηλεκτρικών φασμάτων ταυτοποιήθηκαν δύο δ-διεργασίες σε συχνότητες κοντά στα 200 MHz (δ1) και 1 GHz (δ2) του φάσματος. Η διεργασία δ1 οφείλεται κυρίως στην διηλεκτρική απόκριση του πρώτου κελύφους ενυδάτωσης, ενώ η δ2 σχετίζεται με μόρια νερού που ανήκουν στον κύριο όγκο του υγρού και στο δεύτερο κέλυφος ενυδάτωσης. Επιπλέον, για πρώτη φορά παρουσιάζονται ενδείξεις για την ύπαρξη μιας πολύ γρήγορης χαλάρωσης στην περιοχή συχνοτήτων των 1011 Hz. Υπολογίσαμε επίσης τις στατικές διηλεκτρικές σταθερές της λυσοζύμης, του πρώτου και δεύτερου κελύφους ενυδάτωσης χρησιμοποιώντας τις προσεγγίσεις Fröhlich-Kirkwood και την θεωρία της γραμμικής απόκρισης.Παράλληλα, η χρήση συσκευών μικροκυματικής ακτινοβολίας στην καθημερινή μας ζωή εντείνει περισσότερο από ποτέ την ανάγκη της μελέτης των μη θερμικών επιπτώσεων της ακτινοβολίας στα βιολογικά συστήματα. Για το λόγο αυτό, στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, προχωρήσαμε στη διηλεκτρική μελέτη μιας πρωτεΐνης και συγκεκριμένα της λυσοζύμης με χρήση προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής ένα βήμα πιο πέρα, εξετάζοντας πιθανές εξαρτώμενες από την συχνότητα αλλαγές στις δομικές και δυναμικές ιδιότητες του διαλύματος της λυσοζύμης μετά από εφαρμογή ηλεκτρικών πεδίων σε συχνότητες στην περιοχή των μικροκυμάτων. Τα διηλεκτρικά φάσματα που προέκυψαν με τον τρόπο αυτό συμφωνούν εξαιρετικά με αυτά της προσέγγισης Fröhlich-Kirkwood και της θεωρίας της γραμμικής απόκρισης. Παρατηρήθηκαν αξιοσημείωτες δομικές αλλαγές στην πρωτεΐνη σε συχνότητες κοντά στην περιοχή της μέγιστης απορρόφησης της λυσοζύμης. Επίσης διαπιστώθηκε μείωση της πυκνότητας του κελύφους ενυδάτωσης εξαρτώμενη από τη συχνότητα του πεδίου. Τέλος, διερευνήθηκε η επίδραση της συχνότητας των ηλεκτρικών πεδίων στην κινητική και δυναμική των δεσμών υδρογόνου μεταξύ πρωτεΐνης και μορίων νερού προτείνοντας μια κατάλληλη επέκταση του μοντέλου κινητικής των Luzar & Chandler που ερμηνεύει καλύτερα τα αποτελέσματα με εφαρμογή πεδίων και οδηγεί σε ακριβέστερους υπολογισμούς του χρόνου ζωής των υδρογονικών δεσμών.

Φυσικές Επιστήμες ➨ Βιολογία

Φυσικές Επιστήμες ➨ Φυσική

Molecular dynamic simulations

Biological Sciences

Διηλεκτρική συνάρτηση

Βιολογία

Φυσικές Επιστήμες

Πρωτεΐνες

Proteins

Dielectric function

Physical Sciences

Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής

Φυσική

Natural Sciences

Ηλεκτρικά πεδία

Electric fields

Ελληνική γλώσσα

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ)

Aristotle University Of Thessaloniki (AUTH)

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Σχολή Πολυτεχνική. Τμήμα Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημείας. Εργαστήριο Οργανικής Χημείας

Εθνικό Κέντρο Τεκμηρίωσης και Ηλεκτρονικού Περιεχομένου (ΕΚΤ)

Εθνικό Αρχείο Διδακτορικών Διατριβών

Συλλογή ΕΑΔΔ