Μοριακές προσομοιώσεις συνθετικών υγροκρυσταλλικών συστημάτων για το σχεδιασμό βιοαισθητήρων

Abstract

Οι υγροί κρύσταλλοι είναι υλικά τα οποία, εκτός από τις συνηθισμένες καταστάσεις της συμπυκνωμένης ύλης, υγρή και στερεή, παρουσιάζουν και μια ενδιάμεση (με πληθώρα διαφορετικών δομών ανάλογα με το είδος του μορίου) η οποία ονομάζεται υγροκρυσταλλική. Τα υλικά αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλές τεχνολογικές εφαρμογές και εσχάτως στην κατασκευή βιοαισθητήρων, εξ αιτίας της ιδιότητάς τους να μεταβάλλουν το μοριακό τους προσανατολισμό παρουσία βιομορίων. Στόχος αυτής της διατριβής, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του διεθνούς ερευνητικού προγράμματος MNIBS, ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς των υγροκρυσταλλικών μορίων παρουσία νερού και λιπιδικών μορίων. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε με τη μέθοδο της μοριακής δυναμικής ένα σχετικά απλό υγροκρυσταλλικό υλικό, το 4-πεντυλο-4'-κυανοδιφαινύλιο ή 5CB. Πρόκειται για ένα μικρό, πολικό μόριο το οποίο σε θερμοκρασία δωματίου βρίσκεται στη νηματική φάση. Προκειμένου να καταστεί εφικτή η μελέτη της συμπεριφοράς του 5CB σε υδατικό περιβάλλον και στη συνέχεια παρουσία λιπιδικής μεμβράνης (DPPC), έπρεπε να βρεθεί στη διεθνή βιβλιογραφία ένα μοντέλο περιγραφής του υγρού κρυστάλλου το οποίο θα μπορούσε να προβλέψει με τη μεγαλύτερη δυνατή επιτυχία τις ιδιότητές του. Δοκιμάστηκαν έτσι 4 μοριακά μοντέλα, με διαφορετικές παραμέτρους αλληλεπίδρασης των ατόμων του μορίου. Το μοντέλο το οποίο κρίθηκε καταλληλότερο για την περιγραφή του συστήματος καθαρού (bulk) 5CB, χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τη μελέτη των πολυπλοκότερων διμερών (5CB-H2O) και τριμερών (5CB-DPPC-H2O) συστημάτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, χαρακτηρίζονται ικανοποιητικά και σε καλή συμφωνία με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Σε κάθε περίπτωση όμως θα ήταν εξαιρετικά ενδιαφέρουσα η περαιτέρω μελέτη των ανωτέρω συστημάτων. Όλες οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, έγιναν με χρήση του ανοιχτού κώδικα λογισμικού GROMACS το οποίο αναπτύχθηκε στο πανεπιστήμιο του Groningen για τη μελέτη, κυρίως, βιολογικών συστημάτων.

Liquid crystals are materials which, apart from the usual states of condensed matter (solid and liquid) can be found in an intermediate state called liquid crystalline. This state may adopt various structures, depending on the liquid crystal molecule under observation. Liquid crystals have been used in various technological applications, the most contemporary of which is the design of biosensors. The latter application is based on the ability of these materials to change their molecular orientation in the presence of biomolecules. The goal of this thesis, conducted as part of the international research program MNIBS, was to study the behavior of a liquid crystalline molecule in aqueous and lipid membrane environments. A small, polar liquid crystalline molecule, 4-pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB), which forms a nematic phase at room temperature, was studied with the method of molecular dynamics simulation. In order to be able to study the behavior of 5CB molecules in the presence of water and later next to a lipid membrane (DPPC), it was necessary to find a molecular model that could accurately predict bulk 5CB properties. For this purpose, four models with different interaction parameters were tested and the results were compared to literature data. The model that was found to be the most appropriate for the description of 5CB was used throughout the rest of the study, for the more complicated binary (5CB-H2O) and ternary (5CB-DPPC-H2O) systems. The results from these simulations were considered to be satisfactory and in a good agreement with available experimental data. In any case it would be extremely interesting to study the above mentioned systems further. All the simulations carried out in the present thesis, were conducted with the public domain software code GROMACS, which was developed at the University of Groningen mainly for the study of biological systems.