Theoretical Study of the electrostatic behavior of Saccharomyces cerevisiae yeast cell using Poisson-Boltzmann equation

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Araujo, Ana Cristina Corrêa de
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade do Estado do Rio de Janeiro; Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química; Brasil; UERJ; Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
• Palavras-chave em Português: Levedura; Potencial zeta; Regulação de carga; Equação de Poisson-Boltzmann; Leveduras (Fungos); Saccharomyces cerevisiae; Yeast cell; Zeta potential; Charge regulation; Poisson-Boltzmann equation; ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
• Link de acesso: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16539

A investigação do comportamento eletrostático e das propriedades de superfície de células e sistemas biológicos é de grande importância para o entendimento de processos biotecnológicos como captação de metais pesados de solução, formação de biofilmes, processos de biocorrosão, entre outros. Leveduras estão presentes na natureza e em inúmeros processos científicos e industriais onde as forças eletrostáticas são predominantes, como processos de adesão, flotação e coagulação. A superfície da parede celular das leveduras contém grupos funcionais ácidos e básicos – e.g. carboxila, fosforila, hidroxila, e amino – que sob diferentes condições podem estar ionizados. A protonação e desprotonação desses grupos influencia a carga na superfície da célula e promove uma distribuição entre o meio e a superfície da célula, criando uma superfície regulada pela carga. Nesse trabalho, o potencial eletrostático da levedura Saccharomyces cerevisiae foi estudado e a partir dele um valor para o potencial zeta foi estimado. Os cálculos foram feitos usando dois modelos baseados na equação de Poisson-Boltzmann, um modelo de regulação de cargas e um modelo de densidade de carga volumétrica. Os dois modelos diferem em como eles descrevem a carga na superfície da célula de levedura, o primeiro considera a carga variando na área superficial da célula e o segundo modelo considera a carga variando dentro de um volume na parede celular. Os potenciais zeta estimados pelos dois modelos foram comparados a resultados experimentais para checar a acurácia dos modelos. Cálculos foram feitos para soluções aquosas com duas forças iônicas diferentes, 1 mM e 10 mM. Resultados mostram que os dois modelos conseguem descrever bem os ponto experimentais de potencial zeta para diferentes valores de pH, com o modelo de densidade de carga volumétrica se aproximando um pouco mais dos pontos que o modelo de regulação de carga na superfície. Em geral, os resultados para a força iônica de 10 mM dos dois modelos conseguem descrever melhor o formato dos pontos. Alguns parâmetros dos modelos relacionados a caracterização da superfície da parede celular da levedura (grupos funcionais) foram estimados usando o método de mínimos quadrados, e os resultados dos modelos usando os parâmetros estimados mostraram grande melhoria na maioria dos casos. Além disso, estes mesmos parâmetros foram analisados usando uma simulação de Monte Carlo e uma decomposição QR da matriz de sensibilidade do modelo de regulação de cargas para melhor entendimento da relação entre os parâmetros e o modelo. Nas análises foram encontrados aonde estão localizados os valores de parâmetros que melhor representam os pontos experimentais e também a quais parâmetros o modelo parece ser mais ou menos sensível.