Egenskaperna för guld i nanoskala skiljer sig väsentligt från bulkguld. Av särskilt intresse är guldnanokluster, som består av mellan tiotals till några hundratals guldatomer. Många av sådana klusterstrukturer är kända och syntetiserbara till atomprecision. Syftet med denna avhandling var att tillämpa molekylära dynamiksimuleringar på att undersöka egenskaper hos guldnanokluster i olika miljöer. Simuleringarna avslöjar att guldnanokluster kan binda till virus genom olika interaktioner, och att styrkan hos interaktionerna är beroende av pH -förhållanden.

Tillämpningen av guldnanokluster i medicin studeras i stor utsträckning. Vid Jyväskylä universitet, deras användning har visats till exempel vid virusavbildning. Guldnanokluster består vanligtvis av en guldkärna som täcks av ett skyddande lager av olika molekyler. Det skyddande lagret avgör således i huvudsak hur guldnanoklusterna interagerar med sin omgivning. Dessutom, egenskaperna hos guldnanoklusterna kan ändras genom att skräddarsy typen av molekyler i det skyddande skiktet.

Syftet med MSc Emmi Pohjolainens avhandling vid Jyväskylä universitet, Finland, var att studera olika guldnanokluster i olika miljöer med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik. Molekylära dynamiksimuleringar är ett etablerat verktyg för studier av system vars egenskaper och dynamik behöver undersökas i atomprecision, samtidigt som beräkningstiden hålls rimlig.

Medan molekylära dynamiksimuleringar har använts i stor utsträckning i studier av biomolekyler, deras användning inom metallnanoklusterforskning har varit relativt gles. Det första målet med denna avhandling var att utveckla och validera parametrar för att möjliggöra simulering av sådana system. Dessa parametrar har sedan dess också använts av andra grupper utanför Jyväskylä universitet.

Syrligheten styr guldnanoklusters bindning till virus

Alla simuleringsresultat behöver i huvudsak kopplas till experimentdata. Å ena sidan kan de experimentella resultaten kompletteras med simuleringsresultat, Å andra sidan måste tillgänglig experimentell information användas för att validera simuleringens godhet. Simuleringarna som utfördes för denna avhandling inkluderade till exempel simulering av guldnanokluster i interaktioner med virus, genom att konstruera ett system med ett fullständigt viruskapsel täckt med 60 guldnanokluster. Detta system innehöll cirka 3,5 miljoner atomer, och är som sådan ett särskilt stort system att simulera i atomistisk skala.

Resultaten avslöjade att guldnanokluster kan interagera med viruset på olika sätt, och styrkan hos dessa interaktioner beror på pH -förhållandena. Denna information kan komma att användas i framtiden vid utformning av bild- och läkemedelsmolekyler som måste bindas till specifika platser på virusytan. Även bindning av olika typer av läkemedelsmolekyler till viruset simulerades, och bindningsstyrkorna jämfördes med de för guldnanokluster.

I denna avhandling också självmontering av guldnanokluster till flingor eller sfäriska strukturer, tidigare observerats experimentellt, simulerades. Simuleringarna avslöjade att stabiliteten hos sådana överbyggnader är beroende av både lösningsmedelsförhållanden och fördelningen av laddningar på klusterytan. Således, självmontering eller demontering kan kontrolleras genom att ändra lösningsmedels- och pH-förhållanden. Denna egenskap kan vara användbar till exempel i läkemedelsbärarmolekyler.