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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.43.2021.tde-17042021-150217
Documento
Autor
Nome completo
Natália Fernandes de Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Barbosa, Leandro Ramos Souza (Presidente)
Alencar, Luciana Magalhães Rebelo
Silva, Thereza Amélia Soares da
Título em português
Estudo da interação de líquidos iônicos anfifílicos com sistemas biomiméticos de membrana: uma abordagem estrutural e espectroscópica
Palavras-chave em português
DLS
fluorescência
líquidos iônicos
Membranas
microscopia
potencial zeta.
SAXS
Resumo em português
Os Líquidos iônicos (LIs) são uma classe interessante de moléculas orgânicas que tem sido objeto de diferentes estudos nos últimos anos. Tipicamente, LIs são compostos por um cátion orgânico e um ânion orgânico ou inorgânico, e podem ser encontrados no estado líquido a temperaturas abaixo de 100°C. Devido à sua geometria peculiar, estes compostos possuem uma vasta gama de aplicações em diversas áreas do conhecimento como química verde, farmacologia, biomedicina e bionanotecnologia. Apesar disso, pesquisas recentes mostraram que a toxicidade dos LIs é maior do que se acreditava anteriormente, particularmente com sistemas de relevância biológica. Desta forma, vários estudos físico-químicos das interações entre LIs e sistemas de membrana biomimética foram realizados a fim de identificar os mecanismos moleculares por trás dessa toxicidade. O principal objetivo deste projeto é obter mais informações sobre a ação do líquido iônico cloreto de 1-tetradecil-3-metilimidazólio ([C14mim]Cl) em sistemas de membranas biomiméticas para verificar os mecanismos moleculares por trás de sua toxicidade. Para isso, utilizaram-se os lipídios POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3- phosphocholine), esfingomielina e colesterol na composição de vesículas que simulam o comportamento da membrana plasmática de eritrócitos e analisou-se a influência de diferentes concentrações de LIs em suas propriedades estruturais. As interações entre esses sistemas lipídicos e o LI em questão foram estudadas através de diferentes técnicas biofísicas: espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS), supressão de fluorescência, espalhamento dinâmico de luz (DLS), potencial zeta, microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e crio-microscopia (Crio-EM). De acordo com os resultados, o LI interagiu com a bicamada. O diâmetro hidrodinâmico das vesículas aumentou de (133.3 ± 0.3)nm para (138 ± 1)nm conforme o LI foi adicionado, e nas micrografias foi possível observar uma região escura em torno das vesículas, ausente nos sistemas sem o líquido iônico. O potencial zeta das membranas passou de (-1.4 ± 1.6)mV para (61.5 ± 1.4)mV quando se adicionou 30% de LI, ficando claro que o líquido iônico alterou a carga superficial das vesículas e sua estabilidade. Com as medidas de SAXS, observou-se que as moléculas do líquido iônico estão concentradas na parte externa da membrana. O parâmetro fLI relacionado com a posição do LI foi sempre maior que o parâmetro fpol relacionado com a posição da cabeça polar dos lipídios, indicando que o LI está na região externa ao redor da bicamada. O líquido iônico também alterou algumas propriedades estruturais da membrana, como a área por lipídio A, que aumentou conforme o LI foi adicionado, e a posição da molécula de colesterol fchol, que se aproximou cada vez mais da superfície da membrana. No entanto, mesmo para concentrações maiores, o LI não foi capaz de penetrar na membrana, fato confirmado pelas medidas de supressão de fluorescência, na qual nenhum efeito foi evidenciado, pelo menos para razões LI:Lipídio menores que 3:10. As intensidades do espectro de emissão permaneceram sempre próximas, e as porcentagens de vazamento com valores inferiores a 20%.
Título em inglês
The study of the interaction of amphiphilic ionic liquids with model membranes: a structural and spectroscopic approach
Palavras-chave em inglês
DLS
fluorescence
ionic liquids
Membranes
microscopy
SAXS
zeta potential.
Resumo em inglês
Ionic Liquids (ILs) are an interesting class of organic molecules that have been the subject of many different studies over the last few years. Typically, they are composed of an organic cation and an organic or inorganic anion and can be found in liquid in the liquid state at temperatures below 100°C. Due to their peculiar geometry, these compounds have a vast array of potential applications in different areas of knowledge such as green chemistry, pharmacology, biomedicine, and bionanotechnology. Despite that, previous research shows that the toxicity of ILs is higher than previously believed, particularly with systems of biological relevance. Therefore, several physicochemical studies of its interactions with biomimetic membrane systems were carried out in order to identify the molecular mechanisms behind its toxicity. The main goal of this project is to get more information about the interaction of the ionic liquid 1-tetradecyl-3-methylimidazolium chloride ([C14mim]Cl) on biomimetic membrane systems to identify the molecular factors mechanisms behind its toxicity. To do this, we used the lipids POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), sphingomyelin, and cholesterol in order to simulate erythrocytes plasmatic membrane behavior and analyze the influence of different concentrations of ILs on their structural properties. The interactions between these lipid systems and the IL in question were studied using different biophysical techniques: small-angle X-ray scattering (SAXS), fluorescence quenching, dynamic light scattering (DLS), potential zeta, transmission electron microscopy (TEM), and cryo-electron microscopy (Cryo-EM). According to the results, LI interacted with the bilayer. The hydrodynamic diameter of the vesicles increased from (133.3 ± 0.3)nm to (138 ± 1)nm as the LI was added, and in the micrographs, it was possible to see a dark region around the vesicles, which did not exist in the systems without ionic liquid. The zeta potential of the membranes went from (-1.4 ± 1.6)mV to (61.5 ± 1.4)mV for the systems with 30% of IL, making it clear that the ionic liquid changed the surface charge of the vesicles and their stability. With the SAXS measurements, it was seen that the ionic liquid molecules are concentrated on the outer membrane. The parameter fLI related to the position of the IL was always greater than the parameter fpol related to the position of the lipids polar head, indicating that the IL is in the outer region around the bilayer. The ionic liquid also altered some properties of the membrane, such as the area by lipid A, which increased as the IL was added, and the position of the cholesterol molecule fchol, which got closer and closer to the membrane surface. However, even at higher concentrations, IL was not able to penetrate the membrane, a fact confirmed by fluorescence quenching measures, in which no effect was evident, at least for IL:Lipid ratios less than 3:10. The intensities of the emission spectrum remained always close, and the leakage percentages with values less than 20%.
 
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Data de Publicação
2021-05-24
 
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