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Tipo do documento: Dissertação
Título: Theoretical Study of the electrostatic behavior of Saccharomyces cerevisiae yeast cell using Poisson-Boltzmann equation
Título(s) alternativo(s): Estudo teórico do comportamento eletrostático da levedura Saccharomyces cerevisiae usando a equação de Poisson-Boltzmann
Autor: Araujo, Ana Cristina Corrêa de 
Primeiro orientador: Lima, Eduardo Rocha de Almeida
Segundo orientador: Barbosa, Nathalia Salles Vernin
Primeiro membro da banca: Lima, Eduardo Rocha de Almeida
Segundo membro da banca: Barbosa, Nathalia Salles Vernin
Terceiro membro da banca: Barreto Júnior, Amaro Gomes
Quarto membro da banca: Alijó, Pedro Henrique Rodrigues
Quinto membro da banca: Paredes, Márcio Luis Lyra
Resumo: 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.
Abstract: The investigation of the electrostatic behavior and surface properties of cell surfaces in biological systems is of great importance for understanding biological process as metal uptake from solution, biofilm formations, biocorrosion processes, among others. Yeast cells are present in nature and in a number of scientific and industrial processes where electrostatic forces are predominant, such as adhesion processes, flotation and aggregation. The cell wall surface of yeast cells is composed of proteins and glycoproteins that contain many acid-base functional groups – e.g. carboxyl, phosphoryl, hydroxyl, and amine – that under different conditions can be ionized. The protonation or deprotonation of these groups influences the surface charge and promotes a charge distribution between the medium and the cell surface, creating a charge regulated surface. In this work, the electrostatic potential of the Saccharomyces cerevisiae yeast cell was studied and a value for the zeta potential was estimated. Calculations were performed using two models based on the Poisson-Boltzmann equation, the charge regulation on the surface model and the charge regulated volumetric density charge model. The two models differ in the way they describe the charge on the yeast cell surface, while the first considers a charge on the cell wall surface area the second model considers the charge varying over the volume of the cell wall. The zeta potential calculated using both models were then compared to experimental results to check for the accuracy of the models. Calculations were performed for aqueous solutions with two different ionic strengths, 1 mM and 10 mM. Results show that both models are able to describe experimental zeta potential points for different pH values, with the volumetric charge density model showing a slightly better fit than the charge regulation on the surface model. In general, the results for ionic strength of 10 mM for both models could describe better the shape of experimental points than the results for 1 mM. Some important parameters of the model related to the characterization of the yeast cell wall (functional groups) were estimated using the least-squares method, and results of the model with the estimated parameters showed great improvement in most cases. The same parameters were then further analyzed using a Monte Carlo simulation and a QR decomposition of the sensitive matrix of the charge regulation model to check the relation between the parameters and the model. In the analysis it was found a range for which the parameters can best describe experimental points and it was also possible to identify which parameters the model are most and least sensitive to.
Palavras-chave: Levedura
Potencial zeta
Regulação de carga
Equação de Poisson-Boltzmann
Yeast cell
Zeta potential
Charge regulation
Poisson-Boltzmann equation
Leveduras (Fungos)
Saccharomyces cerevisiae
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: eng
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: ARAUJO, Ana Cristina Corrêa de. Theoretical Study of the electrostatic behavior of Saccharomyces cerevisiae yeast cell using Poisson-Boltzmann equation. 2020. 68 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Faculdade de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2020.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16539
Data de defesa: 17-Fev-2020
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Química

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