Adsorción de nucleobases del ADN por fullerenos de nitruro de boro: Efecto de los enlaces homonucleares

Abstract

En la presente investigación se abordó el estudio de estructuras fullerénicas de nitruro de boro para analizar la interacción que tienen con las nucleobases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), pertenecientes al ácido desoxirribonucleico (ADN), y de esta manera evaluar su viabilidad para uso como posibles transportadores de fármacos y/o biosensores. El estudio de simulación molecular se realizó con el uso de cálculos propios de la mecánica cuántica con el esquema de la Teoría de los Funcionales de la Densidad (DFT; por sus siglas en inglés) en donde se exploró la interacción de adsorbato-adsorbente entre las nucleobases y los fullerenos de nitruro de boro (BNF). Se realizó la optimización de la geometría molecular entre los fullerenos B12N12-36HT y B12N12-18HM (HT: heteronucleares, HM: homonucleares) y las nucleobases, obteniéndose la estructura de menor energía a través del método HeydScuseria-Ernzerhof (HSEh1PBE), con el uso de la función de base 6-311 g(d,p). Se desarrollaron simulaciones tanto en estado gaseoso como en fase acuosa y se evaluó la capacidad de quimisorción y de fisisorción de los fullerenos de nitruro de boro previamente nombrados. Posteriormente a la optimización molecular y obtención de las posiciones de mínima energía, se calcularon los descriptores cuánticos que representan las propiedades de los complejos fullereno-nucleobase. Los principales descriptores fueron distancia de enlace, diferencia de energía HOMO-LUMO, momento dipolar, potencial químico, función de trabajo y energía de adsorción tanto en fase gas como con el uso agua como solvente. Adicionalmente, se desarrollaron cálculos vibracionales dentro de la aproximación armónica para las estructuras identificadas con la energía más baja y confirmar si estas estructuras corresponden a verdaderos mínimos en la superficie de energía potencial. La energía de adsorción para cada uno de los complejos fue negativa, indicando procesos exotérmicos y en algunos casos se produjo quimisorción o fisisorción, dependiendo particularmente de las condiciones de reacción, y que incluyen multiplicidad, presencia de solvente y carga eléctrica. En los casos en los que se produjo fisisorción, se formaron interacciones no-covalentes entre el adsorbato y el adsorbente. Algunos sistemas con este comportamiento son aquellos en los que se formó un enlace NH-H o N-H. En los que se produjo quimisorción se evidenció la formación de enlaces covalentes entre el oxígeno de las nucleobases y un átomo de boro de los fullerenos utilizados. Para la citosina, la guanina y la adenina se identificó que el grupo funcional de mayor preferencia de adsorción es el grupo CO. La timina se adsorbió principalmente a través del grupo NH2. De acuerdo con los descriptores cuánticos, para la estructura prístina se exhibe un bajo comportamiento reactivo, con valores de función de trabajo bajos y polaridad media de las moléculas. Al incluir los enlaces homonucleares se aumentaron estas propiedades, favoreciendo mucho más la adsorción de las nucleobases del ADN, reactividad química, solubilidad y conductividad tanto en la fase gaseosa como en fase acuosa.