Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η μελέτη των μη θερμικών αποτελεσμάτων της ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας στη δομή των βιομορίων χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με το πακέτο λογισμικού GROMACS. Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών παρουσιάζονται στα κεφάλαια 2,3,4 και όλα αντιστοιχούν σε δημοσιεύσεις σε περιοδικά με κριτές με το τελευταίο να έχει γίνει μόλις πρόσφατα δεκτό στο Electromagnetic Biology and Medicine. Το κεφάλαιο 1 αποτελεί μια μικρή εισαγωγή στις αλληλεπιδράσεις ΗΜ πεδίων και έμβιας ύλης. Τα Κεφάλαια 2,3 αφορούν ένα συνθετικό πεπτίδιο, την chignolin, που αντιπροσωπεύει ένα μικρό μοντέλο πρωτεΐνης που οφείλει την σταθερότητα της δομής του στου δεσμούς υδρογόνου. Εξαρχής οι δεσμοί υδρογόνου αποτέλεσαν πιθανούς στόχους των ΗΜ αλληλεπιδράσεων στα βιομόρια λόγω της μικρής τους ισχύος αφού από τη φύση τους κατατάσσονται στις αλληλεπιδράσεις μακράς εμβέλειας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι δομικές αλλαγές που σχετίζονται με διάσπαση αυτών των δεσμών απαιτούν τρομακτικά ισχυρά πεδία της τάξης των 1V/nm που δεν απαντώνται στην καθημερινότητα. Αντίθετα το Κεφάλαιο 4 ασχολείται (για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία των MD προσομοιώσεων σε βιομόρια), με τις αλληλεπιδράσεις πιο ρεαλιστικών ηλεκτρικών πεδίων της τάξης των 1000V/m με το σύστημα ιοντικό διάλυμα–βιομόριο και βασίζεται στην υπόθεση ότι τα ηλεκτρικά πεδία επηρεάζουν εύκολα τα ευκίνητα ιόντα και αυτά με τη σειρά τους την δομή των πρωτεϊνών. Ως βιομόριο επελέχθη η τριαλανίνη κυρίως λόγω των προυπαρχουσών μελετών της δομής της. Αναπάντεχα βρέθηκαν ισχυρές δομικές αλλαγές παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου στην περίπτωση του υπερκορεσμένου διαλύματος NaF μεταξύ των κρυστάλλων NaF και του πεπτιδίου. Το εύρημα αυτό ήδη προσανατολίζει την πορεία των επόμενων μελετών μιας και πολλές παθολογίες όπως η ποδάγρα σχετίζονται με το σχηματισμό κρυσταλλικών δομών στο ανθρώπινο σώμα. / This study focuses on the non-thermal effects of electromagnetic (EM) radiation on the structure of biomolecules using molecular dynamics simulations with the software package GROMACS. Simulation results are presented in Chapters 2,3,4 and they have already been published in refereed journals with the last one recently accepted in “Electromagnetic Biology and Medicine”. Chapter 1 is a brief introduction of EM interaction with living matter. Chapters 2,3 are about chignolin, a synthetic peptide resembling a small model stable protein due to its hydrogen bonds. Initially, long-range interactions such as hydrogen bonds were potential targets of EM interactions in biomolecules. The results suggest that conformational changes associated with these destructions require tremendously strong fields of the order of 1V/nm not encountered in daily life. On the contrary, Chapter 4 deals (for the first time in the literature of MD simulations with biomolecules), with more realistic electric fields around 1000 V/m in the system biomolecule-ionic solution. The hypothesis tested was that electric fields easily affect flexible ions and then these ions induce structural changes to the proteins. To this end, trialanini was chosen a a model biomolecule, primarily due to the extensive prior knowledge of its structure. Surprisingly, strong structural changes in the presence of an external electric field were found in the case of supersaturated NaF solution between the NaF crystals and the peptide. These findings orient the course of subsequent studies because it is well known that many pathologies such as gout are associated with the formation of crystalline structures in the human body.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής καθώς και του περιορισμού και των επιφανειών στην αυτοοργάνωση και στη δυναμική πολυπεπτιδίων, με σκοπό να απαντηθούν ορισμένα ανοικτά ερωτήματα της βιοφυσικής των πρωτεϊνών. Συγκεκριμένα, δεν είναι απολύτως κατανοητός ο τρόπος που η δευτεροταγής δομή επηρεάζεται από την αυτοοργάνωση. Επιπλέον, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τρόπους με τους οποίους είναι δυνατός ο έλεγχος της δευτεροταγούς δομής. Ο έλεγχος της δευτεροταγούς δομής αποτελεί κεντρικό σημείο στη σύνθεση φαρμάκων εναντίον εκφυλιστικών ασθενειών που σχετίζονται με ελαττωματικές πρωτεΐνες, καθώς και στη στοχευμένη μεταφορά φαρμάκων. Εκτός από τη δομή, η γνώση της δυναμικής τέτοιων συστημάτων έχει επίσης σημασία σε βιολογικές διεργασίες, διότι έχει επίπτωση στη λειτουργικότητα των πολυπεπτιδίων. Ακόμη, ο μηχανισμός της μετατόπισης των πρωτεϊνών στο κύτταρο εγείρει ερωτήματα για τον τρόπο διέλευσής τους διαμέσου στενών διαύλων. Η εργασία αποτελείται από δύο μέρη: Στο πρώτο μέρος της εργασίας (Κεφάλαια 5-8), μελετήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής στις δύο κύριες δευτεροταγείς δομές πολυπεπτιδίων (α-έλικες/β-φύλλα), καθώς και στη δυναμική τους. Ιδιαίτερα μας απασχόλησε η επίδραση στη σταθερότητα και στο μήκος εμμονής των δευτεροταγών δομών. Γι' αυτόν το σκοπό μελετήθηκαν (α) πολυπεπτίδια με στατιστική εναλλαγή επαναλαμβανόμενων δομικών μονάδων που παρουσιάζουν και τις δύο δευτεροταγείς δομές, (β) δισυσταδικά συμπολυπεπτίδια, με μία συστάδα η οποία εμφανίζει μόνο α-έλικες και η άλλη και τις δύο δευτεροταγείς δομές, (γ) αστεροειδή συμπολυπεπτίδια, με σκοπό τη μελέτη της τοπολογίας στο νανοφασικό διαχωρισμό και στη δευτεροταγή οργάνωση, και (δ) δενδριμερή πολυφαινυλενίων με προσαρτημένα πεπτίδια, διαφορετικού μεγέθους πυρήνα, πλήθους υποκατεστημένων θέσεων, και βαθμού πολυμερισμού των πεπτιδίων. Χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές εξέτασης της δομής (σκέδαση ακτίνων-Χ, NMR στερεάς κατάστασης) και της δυναμικής (Διηλεκτρική Φασματοσκοπία, NMR). Βρέθηκε ότι το ισχυρό θερμοδυναμικό πεδίο που αναπτύσσεται μεταξύ των συστάδων κατά το νανοφασικό διαχωρισμό επιδρά στη σταθερότητα και στο μήκος εμμονής των δευτεροταγών δομών, αφενός βελτιώνοντας τις α-έλικες, και αφετέρου αποσταθεροποιώντας τα β-φύλλα. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας (Κεφάλαιο 9), μελετήθηκε η επίδραση του περιορισμού και των επιφανειών στην αυτοοργάνωση και στη δυναμική πολυπεπτιδίων, κάτι που παρουσιάζει ενδιαφέρον στη σταθερότητα και στη λειτουργία των πρωτεϊνών κατά τη μεταφορά τους μέσα στο κύτταρο. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε μια σειρά νανοράβδων πολυπεπτιδίου, των οποίων η σύνθεση έγινε στο εσωτερικό πορώδους αλουμίνας. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε τόσο σε ελεύθερες όσο και σε ενσωματωμένες νανοράβδους, με χρήση NMR, σκέδασης ακτίνων-Χ, και Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας. Βρέθηκε ότι, ενώ ο γεωμετρικός περιορισμός δεν έχει σημαντική επίδραση στη δυναμική, ο συνδυασμός του περιορισμού με διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις σε νανοπόρους μικρής διαμέτρου (25-35 nm) μεταβάλλει σημαντικά τη δυναμική. Λόγω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου μεταξύ της επιφάνειας και του πολυπεπτιδίου, εμφανίζεται ένα διεπιφανειακό στρώμα πολυπεπτιδίου με δυναμική διαφορετική από εκείνη σε μεγαλύτερους νανοπόρους.