- Progetto di Medicina
supportato dall'Università di Porto, Facoltà di Ingegneria
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Perché un composto chimico possa essere assorbito dalle cellule umane, esso deve penetrare la membrana cellulare. Questo vale sia per sostanze nenefiche (come i farmaci), sia per sostanze potenzialmente pericolose (come tossine e ssotanze inquinanti). Il processo di assorbimento implica l'interazione del composto con ambienti che possono variare dal molto idrofilo, al molto idrofobico.
nell'immagine: lo schema di una tipica membrana cellulare. Il fluido extracellulare e il citoplasma sono tipicamente idrofili, mentre l'interno della membrana è altamente idrofobico.
La capacità delle cellule umane di assorbire farmaci e tossine è fortemente legata alla solubilità dei composti in soluzione acquosa e organica. Per sviluppare un nuovo farmaco, centinaia di composti vengono testati in laboratorio, incrementando costi e tempi necessari alla ricerca. Molti composti vengono scartati priprio perché non hanno le caratteristiche che ci si aspettava. Se fosse possibile predire in anticipo la solubilità di un nuovo somposto partendo unicamente dalla sua struttura molecolare, saremmo in gradodi sviluppare farmaci efficaci abbattendo tempi e costi. Allo stesso modo, il calcolo della solubilità ci consentirebbe di stimare anche il grado di tossicità.
La solubilità di un determinato composto è direttamente con l'energia libera di miscelazione. Questa è una delle caratteristiche termodinamiche più importanti, che permette di stimare non solo la solubilità, ma anche il grado di partizione di una molecola in ambienti con differenti caratteristiche. L'energia libera può essere calcolata con precisione usando metodi di simulazione molecolare e un algoritmo termodinamico. Inizialmente, la simulazione prevede il composto circondato da un solvente. Il passo successivo consiste nell'eliminare gradatamente il composto monitorando la cariazione di energia nel sistema durante il processo. Infine, si ottiene l'energia libera di miscelazione del composto integrando la curva dell'energia.
nell'immagine: esempio della variazione dell'energia libera durante l'eliminazione del composto (in questo caso una molecola di benzene, in verde) sciolta in acqua (molecole in blu).
Il calcolo delle energie di miscelazione usando simulazioni molecolari è altamente preciso, ma tuttavia richiede una enorme potenza di calcolo. Ad esempio, il calcolo dell'energia di un singolo composto in acqua richiede circa 500 ore di calcolo su un personal computer. Tenendo conto l'alto numero di composti da testare e la grande varietà di solventi, risulta chiaro perché si è scelto di usare Ibercivis.
L'obiettivo principale del progetto è di predire attraverso calcoli computerizzati l'energia libera di miscelazione di un grande numero di composti e solventi. Le molecole studiate vanno dalle più semplici (come l'etanolo) alle più complesse (farmaci e tossine), mentre i solventi variano dall'acqua agli idrocarburi. Questa grande varietà di sistemi consentirà di sviluppare e testare modelli molecolari che potrebbero essere usati anche in altri ambiti. La capacità di predire la solubilità di un composto partendo semplicemente dalla sua struttura molecolare è di grande impatto nella scoperta di nuovi farmaci e nella valutazione di tossicità dei composti ai quali il nostro potrebbe essere esposto.
nell'immagine: esempio di un farmaco disciolto in acqua (molecole bianche e blu).