Thesis:

Electrostática de Viruses Icosaédricos

La interacción entre el ARN y las proteínas es fundamental en numerosos procesos biológicos, como la regulación de la expresión génica y el ensamblaje y desensamblaje de nucleocápsides virales, y desarrollar modelos precisos para estudiar estas interacciones resulta esencial para comprender la física subyacente y explotar su potencial en aplicaciones biotecnológicas. En este estudio nos enfocamos en el componente electrostático de estas interacciones mediante la ecuación no lineal de Poisson-Boltzmann, un modelo continuo que, aunque no captura detalles atómicos, permite calcular potenciales de campo medio y energías libres con alta precisión utilizando recursos computacionales modestos, y presentamos un análisis termodinámico en el que determinamos la orientación más probable de una cadena de ARN al interactuar con superficies proteicas con geometría icosaédrica, plana y esférica, basadas en el virus del mosaico del tabaco (STMV, por sus siglas en inglés). Este enfoque se centra en cómo las propiedades geométricas y la densidad de carga influyen en la afinidad de unión y en las configuraciones espaciales óptimas del ARN en confinamiento, siendo nuestro principal caso de estudio la nucleocápside viral, donde la estructura interna del ARN sigue siendo un tema de debate, y cuyos resultados ofrecen una representación más realista basada en propiedades físicas, integrándose con modelos estructurales previos basados únicamente en información de pares de bases. Exploramos dos escenarios: uno con áreas constantes y densidades de carga homogéneas, y otro con áreas variables y densidades de carga no homogéneas; en el primer escenario, la energía de unión atractiva mostró una relación lineal con el grosor del cápside, siendo la simetría 3 la que presentó interacciones más intensas, seguida por las simetrías 2 y 5, mientras que las geometrías esférica y plana resultaron menos atractivas, mientras que en el segundo escenario las energías de unión fueron mayores y la simetría 5 lideró las interacciones más intensas, seguida por las simetrías 3 y 2, evidenciando cómo las variaciones geométricas y de carga afectan las configuraciones óptimas del ARN. Este estudio destaca la importancia del balance entre geometría, densidad de carga y confinamiento en las interacciones ARN-proteína y, además de aportar conocimiento fundamental sobre estas interacciones que gobiernan estos complejos biológicos, abre nuevas oportunidades en nanobiotecnología, diseño de cápsides virales artificiales e ingeniería molecular, sentando las bases para futuros desarrollos en aplicaciones biotecnológicas y biología sintética.

The interaction between RNA and proteins is fundamental to numerous biological processes, such as gene expression regulation, the assembly, and disassembly of viral nucleocapsids. Developing accurate models to study these interactions is essential for understanding the underlying physics and leveraging their potential in biotechnological applications. In this study, we focus on the electrostatic component of these interactions using the nonlinear Poisson-Boltzmann equation, a continuous model that, while not capturing atomic details, enables the calculation of mean-field potentials and free energies with high accuracy using modest computational resources. We present a thermodynamic analysis to determine the most probable orientation of an RNA strand interacting with protein surfaces with icosahedral, planar, and spherical geometries, based on the satellite tobacco mosaic virus (STMV). This approach examines how geometric properties and charge density influence binding affinity and the optimal spatial configurations of RNA under confinement. Our primary case study is the viral nucleocapsid, where the internal structure of RNA remains a topic of debate. The results provide a more realistic representation based on physical properties, integrating with previous structural models based solely on base pair information. We explored two scenarios: one with constant areas and homogeneous charge densities, and another with variable areas and non-homogeneous charge densities. In the first scenario, attractive binding energy showed a linear relationship with capsid thickness, with symmetry 3 presenting the most intense interactions, followed by symmetries 2 and 5, while spherical and planar geometries were less attractive. In the second scenario, binding energies were higher, with symmetry 5 leading the most intense interactions, followed by symmetries 3 and 2. This highlighted how geometric and charge variations influence RNA’s optimal configurations. This study emphasizes the importance of balancing geometry, charge density, and confinement in RNA-protein interactions. In addition to enriching fundamental knowledge about these interactions governing biological complexes, the findings open new opportunities in nanobiotechnology, the design of artificial viral capsids, and molecular engineering. These results lay the groundwork for future developments in biotechnological applications and synthetic biology.