Simplifying Complexity: Harnessing Coarse-Grained Models to Study Intricate Systems

Abstract

L'ús de models Coarse-Grained (CG) ha emergit com una eina valuosa en la recerca científica, oferint diversos avantatges per l'estudi de sistemes complexos que són difícils de comprendre a través de tècniques experimentals, donades les seves limitacions. D'entre la multitud de tècniques computacionals disponibles, els models CG s'han establert com l'intermedi entre els nivells d'àtoms i macroscòpics, oferint una visió més clara dels fenòmens que succeeixen a gran escala sense perdre les seves propietats essencials. En aquesta tesi, hem emprat dos mètodes, la Dinàmica de Partícules Dissipatives (DPD) i el camp de forces Martini, que ambdós implementen models CG per realitzar tres estudis. El primer, es centra en avaluar l'aplicabilitat del mètode DPD en l'estudi de la síntesis de nanopartícules d'or (Au NPs) emprant diversos tensioactius. Donada la complexitat inherent de definir el comportament metàl·lic en els camps de forces, aquesta va resultar una tasca desafiant. El segon estudi es basa en examinar la possibilitat d'obtenir distribucions Janus esfèriques sobre la superfície de les Au NPs mitjançant dues immunoglobulines G (IgG). Per fer-ho, es va estudiar detalladament la seqüència d'aminoàcids d'ambdós IgGs. El darrer estudi explora la dinàmica d'un G-quadruplex (G4) i la seva interacció amb dos lligands diferent substituïts utilitzant el camp de fores Martini.

El uso de modelos coarse-grained (CG) ha surgido como una herramienta valiosa en la investigación científica, ofreciendo ventajas únicas para estudiar sistemas complejos que son difíciles de entender a través de técnicas experimentales, dadas sus limitaciones inherentes. Entre la multitud de técnicas computacionales disponibles, los modelos CG se sitúan como intermediarios entre los modelos atómicos y mesoscópicos, permitiéndonos obtener una visión más detallada de los fenómenos a gran escala sin perder sus propiedades esenciales. En esta tesis, hemos utilizado dos métodos que implementan modelos CG, la Dinámica de Partículas Disipativas (DPD) y el campo de fuerzas Martini para realizar tres estudios distintos.El primero se centra en evaluar la aplicabilidad de DPD para estudiar la síntesis de nanopartículas de oro (Au NPs) utilizando varios tensioactivos. Debido a la complejidad inherente de definir el comportamiento metálico centro de los campos de fuerza, esto resultaba un desafío. En el segundo se examina la posibilidad de obtener distribuciones Janus esféricas sobre la superfície de las Au NPs utilizando dos tipos de immunoglobulinas G (IgG). Para ello, se realizó un examen detallado de las secuencias de aminoácidos (AAs) para ambas IgGs. Finalmente, en el último estudio se explora la dinámica de un G-quadruplex (G4) específico y su interacción con dos ligandos distintos utilizando el campo de fuerzas Martini.

The use of Coarse-Grained (CG) models has emerged as a valuable tool in scientific research, offering distinct advantages for elucidating complex systems that are challenging to comprehend solely through experimental techniques, given their inherent limitations. Among the plethora of computational techniques available, CG models bridge the gap between all-atom and mesoscopic levels, allowing us to gain insights into larger-scale phenomena without losing essential properties. In the present thesis, we have employed two methods, Dissipative Particle Dynamics (DPD) and the Martini force field, which implement CG models. Our research was split into three distinct studies. The initial investigation is focused on assessing the applicability of DPD for studying the synthesis of gold nanoparticles (Au NPs) using various surfactants. This proved to be a challenging task due to the inherent complexity of de:ining the metallic behavior within Force Fields (FF). The second investigation examines the possibility of achieving spherical Janus distributions onto Au NPs surface using two different immunoglobulins G (IgG). For this, a detailed examination of the amino acids (AAs) sequences for both IgGs was conducted. The final part of our research explores the dynamics of a specific G-quadruplex (G4) and its interaction with two different ligands using Martini Force Field.