Simulación numérica de cápsides víricas con modelos de grano grueso
Author
Martín Bravo, Manuel![ULL authority ULL authority](/xmlui/themes/Mirage2/images/autoridades/autoridad.png)
Date
2022Abstract
Esta tesis trata sobre la estructura, la dinámica de modos normales y la res-
puesta mecánica frente a hendimientos de virus icosaédricos. El objetivo es
caracterizar estas propiedades mediante modelos de grano grueso.
Las estructuras geométricas de cápsides icosaédricas de una y varias capas
se reproducen con éxito mediante la definición y optimización global de las co-
rrespondientes funciones de diseño, las cuales han tomado formas simples. Las
subunidades de la cápside se identifican primero como unidades constituyen-
tes a una determinada escala de grano grueso. Estas unidades se toman como
partículas puntuales situadas en un número adecuado sobre superficies esféri-
cas concéntricas. En la definición de la función de diseño, primero se asigna un
coste a los empaquetados esféricos de las partículas, que es mínimo cuando
éstos son óptimos. A tal efecto, se toma el problema de Thomson como mode-
lo de función de coste, donde se minimiza la energía potencial electrostática
entre partículas cargadas idénticas. En algunos casos es necesario incorporar
restricciones de simetría icosaédrica como campos externos que actúan sobre
las partículas. Sin embargo, las funciones de coste más sencillas pueden ob-
tenerse separando las partículas en conjuntos disjuntos no equivalentes con
interacciones distintas, o introduciendo huecos (ausencia de partículas) que
interaccionen entre sí y con las partículas reales. Estas funciones pueden adap-
tarse para reproducir cualquier estructura de la cápside que se encuentre en los
virus reales. Las estructuras ausentes en la naturaleza requieren diseños signifi-
cativamente más complejos. Se asignan medidas de contenido de información
y complejidad tanto a las funciones de coste como a las geometrías de la cáp-
side. En términos de estas medidas, las estructuras icosaédricas y las funciones
de coste correspondientes son las soluciones más simples.
Por otra parte, se presenta un modelo teórico de grano grueso de mínima re-
solución (escala de capsómeros) para el estudio de las propiedades dinámicas y
mecánicas de las cápsides icosaédricas de los virus. En este modelo, la cápside
se representa como un sistema de muchos cuerpos que interactúan entre sí y cuyos elementos son subunidades de la cápside (capsómeros), que se tratan
como cuerpos rígidos tridimensionales. La energía potencial de interacción to-
tal se escribe como una suma de las interacciones capsómero-capsómero por
pares. Se propone una interacción binaria anisótropa mínima y completa que
incluye una matriz hessiana de constantes de fuerza independientes. En este
modelo de interacción, los capsómeros tienen simetría axial de orden n > 2. El
modelo completo de grano grueso preparado para describir adecuadamente
la respuesta lineal del sistema se aplica para analizar el espectro de modos nor-
males de baja frecuencia de la cápside icosaédrica T = 1 del Virus Satélite de
la Necrosis del Tabaco (VSNT). Los parámetros del modelo se ajustan para que
el espectro de frecuencias coincidia con el predicho por los cálculos atomísti-
cos de Dykeman y Sankey [Dykeman and Sankey, Phys. Rev. Lett., 2008, 100,
028101]. Dos opciones de capsómeros son compatibles con la simetría ico-
saédrica de la cápside, a saber, pentones (n = 5) y trímeros (n = 3). El modelo es
capaz de descubrir inestabilidades latentes cuyo análisis es congruente con los
conocimientos actuales sobre la cápside del VSNT, que no se autoensambla en
ausencia de ARN y es térmicamente inestable. La sencilla generalización y sim-
plificación del modelo más allá del régimen lineal y su exhaustividad lo convier-
ten en una herramienta prometedora para interpretar teóricamente muchos
datos experimentales, como los que un Microscopio de Fuerza Atómica (MFA)
puede proporcionar, o incluso para comprender mejor procesos alejados del
equilibrio, como el autoensamblaje de la cápside. En particular, se ha compro-
bado que es capaz de reproducir el hendimiento del Virus Diminuto del Ratón
(VDR) dentro del error experimental, revelando además, las diferentes propie-
dades del proceso en función del eje de simetría sobre el que se lleve a cabo
el proceso. Los parámetros óptimos de la generalización del modelo fuera del
régimen lineal se obtienen mediante la minimización de una función de error
con base en los datos experimentales disponibles, a saber, la constante elástica,
eje por eje, la hendidura crítica promedio y la imposición de que la energía total
de la cápside coincida con la dada por interacciones binarias de corto alcan-
ce, favoreciendo que sólo sean relevantes a primeros vecinos. Las interacciones
a segundos vecinos son consecuencia únicamente de la forma del potencial
y, tras optimizar los parámetros del modelo, se logra que éstas resulten des-
preciables, de manera que los capsómeros interaccionan entre sí por contacto,
como cabe esperar. Las constantes de fuerza óptimas ajustan razonablemente
más allá de la configuración de mínimo global.