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Simulations of Short Model Peptides and Practically Relevant Modeled Titanium Implant Surfaces

  • One of the aims of this work was to generate a non restrained force field model including carbon contamination to make the adsorption simulations more realistic and comparable with experimental data. Another purpose was to find out how the special recognition of small linker proteins on titanium dioxide is working. During this work a fixed and a non restrained rutile (100) model was used and critical properties were observed which are not only related to the surface. The rigid water layers on top of the oxide are very important for the protein and peptide adsorption. Therefore the first discussing object were the properties of the water layers and how they can be influenced. The charge distribution on the surface was found to have a big effect on them. Depending on the charges of the surface atoms or the functional groups, resulting out of the hydroxylation equilibrium, precisely the first water layer gets more rigid or smother. This has a big effect on biomolecule adsorption. The peptides need to penetrate these water layers to generate direct interaction points. The correct description of the surface in molecular dynamic simulations therefore has a high influence on the results. The better the model is the better the findings are comparable with experimental ones. Additionally carbon contamination was mimicked by using a monolayer of pentanol molecules. This fits very good with experimental data (e.g. contact angle) and make the oxide model more hydrophobic. Interaction of proteins and peptides in experiments or in medical use are often observed under normal air conditions, which means that the scaffold is i) hydroxylated by water and ii) carbon contaminated in a short period of time. Therefore investigations were done to find out how the contamination influences the adsorption of a formally know good or bad binding peptide (TiOBP1; TiOBP2). It was found that the TiOBP1 is able to bind the different surface modifications very well which coincides with observations made in experiments. The way of adsorption (direct or indirect) depends on the water layers properties. The first layer on high charged surface models is that rigid, that the peptide is not able to adsorb in a direct way. On the carbon contaminated oxide model the adsorption is possible by reducing the flexibility of the secondary structure motive. In the case of TiOBP2 adsorption on the clean surface model results in only weak binding or even in no interaction. Whereas on the carbon contaminated dioxide the once know bad binder is able to interact with the Pentanol monolayer. No direct adsorption is observed but the hydrophobic side chains have the possibility to orient themselves according to the hydrophobic layer without changing significantly in the secondary structure motive. An additional test peptide (minTBP) adsorbs without being affected by the contamination. This raises the question if the distribution of hydrophobic to hydrophilic amino acids has influence on the adsorption ability according to clean and contaminated surface. For experimental application it could be of interest to generated peptides (GEPI´s) which bind both surface types without changing the secondary structure motives then as we know functionality is based on these structures. In the case of the PHMB polymer adsorption was observed depending on the hydroxylation ratio and therefore on the charge density of the rutile (100) surface. After analysis of the simulations takeaways from experiments could be substantiated. The PHMB interacts with the negative charged surface via the first water layer as a film. So the new force field model describing the rutile (100) titanium dioxide surface with additional carbon contamination model of one monolayer pentanol fits the experimental data very well. The adsorption studied on this surfaces indicates that the contamination as expected makes the surface more hydrophobic and influences the adsorption behavior of the tested peptides especially the secondary structure of TiOBP1. This indeed enhances experimental investigations. Peptides which e.g. link organic and inorganic parts should be good adsorbing on clean and contaminated surfaces by keeping their functionality. Furthermore experimental data can be substantiated by using atomistic simulations like in the case of PHMB adsorption.
  • Titan und titanbasierende Verbindungen spielen eine wichtige Rolle in weiten Bereichen der Wissenschaft. Gerade auf dem Gebiet der Implantatmaterialien kommt Titan häufig zum Einsatz. Bei der Osseointegration interagierten das Knochengewebe bzw. die Zellen jedoch nicht mit dem metallischen Titan sondern mit der auf ihm befindlichen Oxidschicht. Gerade diese Kontaktzone ist Augenmerk sowohl experimenteller als auch simulationsbezogener Arbeiten. Titan und Titandioxid bildet weiterhin die Grundlage für viele Untersuchungen, welche sich mit der Adsorption von eher kleinen (10-20 Aminosäure) Peptiden beschäftigen. In diesem Teilbereich der Forschung geht es um das spezielle Erkennen von anorganischen Oberflächen durch definierte Peptidsequenzen. Diese werden in der Entwicklung von Biochips und Biosensoren genutzt und sollen in der Lage sein die anorganische mit der organischen Phase zu verlinken. Um diese spezifische Erkennung zu verstehen werden häufig atomistische Simulationen benutzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Adsorption solcher Peptide auf der modellierten Oberfläche zu verstehen. Um diese dynamischen Prozesse auf der atomistischen Ebene wahrnehmen zu können wurden Kraftfeldsimulationen mit dem AMBER Packet vorgenommen. Hierzu musste im ersten Teil der Arbeit die Oberfläche so erstellt werden, dass sie experimentelle Daten so realistisch wie möglich wieder gibt. Basierend auf einem älteren Modell und bereits bekannten Parametern für das Titan und den Sauerstoff konnten die Kraftfeldparameter, welche die van-der-Waals Wechselwirkungen wiedergeben, angepasst werden. Des weiteren konnte eine Kohlenstoffverschmutzung auf dem Oberflächenmodell eingeführt werden. Basierend auf experimentellen Daten wurde eine Monolage Pentanol modellhaft in das Oberflächenmodell integriert. Die Adsorption von aus Experimenten als „good“ und „bad binder“ bekannten Peptiden (TiOBP1; TiOBP2) wurde sowohl auf den älteren, fixierten als auch auf den neuen flexiblen bzw. kohlenstoffverunreinigten Oberflächenmodellen simuliert. Auf den flexiblen Modellen erfolgte eine zusätzliche Simulation mit einem Testpeptid, welches schon in anderen Simulationen auf verschieden Titandioxidmodifikationen benutzt worden ist (minTBP). Weitere Adsorptionssimulationen erfolgten mit dem antimikrobiellen Polymer PHMB, welches dazu verwendet werden sollte Implantatoberflächen antibakteriell zu beschichten. Neben dem Interaktionsverhalten der Peptide wurden auch die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Modelle analysiert. Durch die Einführung der Kraftfeldparameter war es möglich die Oberfläche sehr viel besser zu beschreiben. Das nun flexible Modell konnte je nach Simulationstemperatur expandieren, da auch die Oberflächenatome in der Lage waren zu schwingen. Dies ist bei einer fixierten Oberfläche nicht möglich. Des weiteren wurde die Permittivität realistischer wiedergegeben. Die des starren Modells war dies nicht. Neben solchen Oberflächeneigenschaften wurde die Auswirkung der Oberflächenladung auf das umgebende Wasser beobachtet. Das auf dem Titandioxid befindliche Hydroxylierungsgleichgewicht führt zu einer stark negativen Ladung auf der Oberfläche. Die Ladung dieser und der Titan und Sauerstoffatome selbst hat großen Einfluss auf die Eigenschaften der ausgebildeten Wasserlagen. Je größer diese Ladung ist, um so starrer werden die Lagen. Um dies beurteilen zu können wurden die Translationsbewegung (Diffusion) und die Rotationsbewegung (Dipolautokorrelationsfunktion) analysiert. Bei höherer Ladungsdichte wurden beide Moleküleigenschaften deutlich geringer. Das Aufbringen einer Monolage Pentanol führte dazu, dass die Oberfläche stark hydrophob wird. Durch die Simulation des Kontaktwinkels wurde jedoch deutlich, dass dies dem realistischen Titandioxid entspricht. Der experimentell bestimmte Kontaktwinkel liegt bei 70° und der auf den kohlenstoffkontaminierten Modellen bei ca. 60°. Diese Verunreinigung hat zwar keinen direkten Einfluss auf die Ladungsverteilung aber sie nimmt dennoch Einfluss auf das Wasser in den ersten Wasserlagen. War die Wirkung der Ladung bis zu 10Å von der Oberfläche weg zu erkennen, so reicht der Einfluss des Pentanols jetzt bis zu 15Å in die Simulationszelle hinein. Zum einen sind die Wassermoleküle bis zu dieser Zellhöhe stark in ihrer Bewegung gehemmt, zum anderen reicht auch der hydrophobe Einfluss bis in diese Bereiche. Die Ladungsverteilung auf den Rutil (100) Modellen beeinflusst die Adsorption der Peptide indirekt. Da die Wasserlagen durch sehr hohe Ladungen sehr starr werden ist es den Seitenketten der Aminosäuren häufig nicht möglich die erste Lage zu durchdringen und direkte Kontaktpunkte mit der Oberfläche auszubilden. Dies wird gerade auf dem sauberen, flexiblen Modell deutlich. Das TiOBP1 konnte auf den fixierten Oberflächenmodellen sehr stabil und mit hohen Energien adsorbieren. Gerade durch das Ausbilden von direkten Doppelkontakten, vermittelt durch Aminosäuren die gegensätzlich geladen sind und nebeneinander liegen, wurden sehr hohe Adsorptionsenergien erreicht. Dies ist auf der sauberen flexiblen Oberfläche nicht möglich, da die Wasserlagen zu starr sind. Hier konnten nur indirekte Kontakte beobachtet werden. Im Fall der kohlenstoffkontaminierten Rutil (100) Modelle wird die Adsorption zusätzlich durch die hydrophoben Pentanolmoleküle erschwert. Die hauptsächlich hydrophilen Seitenketten des TiOBP1 können sich nur schwer den Weg durch die Monolage bahnen. Es entstehen sehr viel weniger Kontaktpunkte, vermittelt durch die Seitenketten des Arginins. Die Interaktion des Peptides mit der Oberfläche hat zur Folge, dass sich die Sekundärstruktur stark verändert. Die vormals sehr flexible Helix ist nicht mehr in der Lage zwischen α- und 3-10 Helix zu wechseln. Das TiOBP1 verliert also einen Teil seiner Sekundärstruktur. Es ist weitreichend bekannt, dass die Funktion vieler Peptide und Proteine von den Strukturelementen abhängt. Peptide die als Linker sowohl die organische als auch die anorganische Phase binden sollten könnten so einen Teil ihrer Spezifität verlieren. Das TiOBP2 hingegen, welches als eher schlecht bindend bezeichnet wurde, war in der Lage die hydrophobe Oberfläche zu binden ohne seine Sekundärstruktur aufzugeben. Auf den sauberen Oxid Modellen waren die Adsorptionsqualitäten eher schlecht. Nur wenige Aminosäuren waren in der Lage mit der Oberfläche zu interagieren und auch die Adsorptionsenergien sind in eher schwachen Bereichen zu finden. Durch die zumeist hydrophoben Seitenketten (z.B. PHE) änderte sich dieses Verhalten auf den kohlenstoffverunreinigten Modellen und resultierte in stabilen Adsorptionskonfigurationen. Das minTBP, welches aus nur 6 Aminosäuren besteht, ist in der Lage jede Oberflächenmodifikation zu binden. Es hat neben der nicht vorhandenen Sekundärstruktur auch ein gutes Gleichgewicht zwischen hydrophilen und hydrophoben Aminosäuren und ist daher sehr anpassungsfähig. Neben den bereits genannten Peptiden wurden ähnliche Simulationen auf i) neutralen und ii) geladenen Oberflächen für das PHMB durchgeführt. Diese sollten experimentbegleitend sein. Das Polyhexanid adsorbierte schlecht auf gereinigten Titandioxid Trägermaterialien und verbesserte sein Verhalten sobald die Oberfläche behandelt worden ist. In den Simulationen konnte beobachtet werden, dass das Erhöhen der funktionellen Gruppen (OH-) durch die Behandlung mit H2O2 zu einer erhöhten Adsorption führt. Dies deckt sich mit den experimentellen Daten. Das Polyhexanid benötigt eine stark negativ geladene Oberfläche für eine möglichst gute Interaktion. Eine zusätzliche Simulation mit 64 PHMB Molekülen in einer Zelle führte zu der Erkenntnis, dass das Polymer als Film auf der ersten Wasserlage adsorbiert. Während der vorliegenden Arbeit konnte ein Parametersatz für das Titandioxid erstellt werden um dieses in das AMBER Kraftfeld zu integrieren und somit die Beschreibung realistischer zu machen. Des weiteren war es möglich ein Modell für die experimentell beschriebene Kohlenstofflage zu erstellen und auch diese in die Oberflächenbeschreibung zu realisieren. Die Beschreibung der orientierten, starren Wasserlagen ist von großem Interesse, da diese, ebenso wie die Kohlenstoffkontamination, die Adsorption verschiedener Biomoleküle beeinflussen. Außerdem konnte der Einfluss der Adsorption auf die Sekundärstruktur beobachtet werden und der damit einhergehende mögliche Funktionsverlust.

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Metadaten
Author: Wenke Friedrichs
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002099-1
Title Additional (English):Simulations of Short Model Peptides and Practically Relevant Modeled Titanium Implant Surfaces
Title Additional (German):Simulation kurzer Modellpeptidsequenzen sowie praxisnaher veränderter titanbasierender Implantatoberflächen
Advisor:Prof. Dr. Walter Langel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/12/11
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/08/29
Release Date:2014/12/11
GND Keyword:Linker, Peptide, Simulation, Titandioxid
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie