Le proprietà dell'oro su scala nanometrica sono significativamente diverse da quelle dell'oro sfuso. Di particolare interesse sono i nanocluster d'oro, che sono composti da decine ad alcune centinaia di atomi d'oro. Numerose di tali strutture di cluster sono note e sintetizzabili con precisione atomica. Lo scopo di questa tesi era applicare simulazioni di dinamica molecolare allo studio delle proprietà dei nanocluster d'oro in ambienti diversi. Le simulazioni rivelano che i nanocluster d'oro possono legarsi ai virus attraverso diverse interazioni, e che la forza delle interazioni dipende dalle condizioni di pH.

L'applicabilità dei nanocluster d'oro in medicina è ampiamente studiata. All'Università di Jyväskylä, il loro utilizzo è stato dimostrato ad esempio nell'imaging di virus. I nanocluster d'oro sono generalmente composti da un nucleo d'oro ricoperto da uno strato protettivo di diverse molecole. Lo strato protettivo determina quindi essenzialmente come il nanocluster d'oro interagisce con il suo ambiente. Inoltre, le proprietà dei nanocluster d'oro possono essere alterate adattando il tipo delle molecole nello strato protettivo.

L'obiettivo della tesi di laurea del M.Sc Emmi Pohjolainen presso l'Università di Jyväskylä, Finlandia, era quello di studiare diversi nanocluster d'oro in vari ambienti mediante simulazioni di dinamica molecolare. Le simulazioni di dinamica molecolare sono uno strumento consolidato negli studi di sistemi le cui proprietà e dinamiche devono essere studiate con precisione atomica, mantenendo il tempo di calcolo ragionevole.

Mentre le simulazioni di dinamica molecolare sono state ampiamente utilizzate negli studi sulle biomolecole, il loro uso nella ricerca sui nanocluster metallici è stato relativamente scarso. Il primissimo obiettivo di questa tesi era sviluppare e convalidare parametri per consentire la simulazione di tali sistemi. Da allora questi parametri sono stati utilizzati anche da altri gruppi al di fuori dell'Università di Jyväskylä.

L'acidità controlla il legame dei nanocluster d'oro al virus

Tutti i risultati della simulazione devono essenzialmente essere collegati ai dati sperimentali. Da un lato i risultati sperimentali possono essere integrati da risultati di simulazione, d'altra parte, le informazioni sperimentali disponibili devono essere utilizzate per convalidare la bontà della simulazione. Le simulazioni eseguite per questa tesi includevano ad esempio la simulazione di nanocluster d'oro nelle interazioni con virus, costruendo un sistema con un capside virale completo coperto da 60 nanocluster d'oro. Questo sistema conteneva circa 3,5 milioni di atomi, ed è come tale un sistema notevolmente grande da simulare su scala atomica.

I risultati hanno rivelato che i nanocluster d'oro possono interagire con il virus con mezzi diversi, e la forza di queste interazioni dipende dalle condizioni di pH. Queste informazioni potrebbero essere utilizzate in futuro nella progettazione di molecole di farmaci e di imaging che devono legarsi a posizioni specifiche sulla superficie del virus. È stato inoltre simulato il legame di diversi tipi di molecole di farmaco al virus, e le forze di legame sono state confrontate con quelle dei nanocluster d'oro.

In questa tesi anche l'autoassemblaggio di nanocluster d'oro in scaglie o strutture sferiche, precedentemente osservato sperimentalmente, sono stati simulati. Le simulazioni hanno rivelato che la stabilità di tali sovrastrutture dipende sia dalle condizioni del solvente che dalla distribuzione delle cariche sulla superficie del cluster. Così, l'autoassemblaggio o lo smontaggio possono essere controllati modificando le condizioni del solvente e del pH. Questa proprietà potrebbe essere utilizzabile, ad esempio, in molecole portatrici di farmaci.