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Modeling and Understanding Aqueous Mixtures Using Kirkwood-Buff Theory of Solutions

Ganguly, Pritam :
Modeling and Understanding Aqueous Mixtures Using Kirkwood-Buff Theory of Solutions.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modeling and Understanding Aqueous Mixtures Using Kirkwood-Buff Theory of Solutions
Language: English
Abstract:

Fluctuation theory of solutions, introduced by Kirkwood and Buff in 1951, relates particle number fluctuations of small scales to the global thermodynamic properties of the system. Cosolvent effects on (bio)solutes in aqueous solutions can be modeled in molecular dynamics simulations and the fluctuation theory of solutions, termed as Kirkwood-Buff (KB) theory, provides a theoretical route to analyze the specific interactions between the solute and the cosolvent in terms of the preferential solvation or preferential binding which is important to study, amongst others, the conformational changes in biomacromolecules under different cosolvent conditions. The KB theory can be used to relate the simulation data on the integrals of the pair-correlation functions between the system components over volume to the experimentally observable thermodynamic quantities such as change in the chemical potential of the solutes with varying cosolvent concentrations. Although computer simulations provide the interaction mechanisms or the dynamics of a system at molecular level, but they are confronted with many challenges related to the limitations in computational power, accuracy of the models and straight-forward comparison with experimental data. The number of particles in a system can be reduced significantly by grouping several particles in single interaction-sites, termed as coarse-grained beads, which leads to significant speed-up of the simulations. With coarse-graining, simulations of larger systems with longer time-scale are possible which are required for the most of the biological processes. In this thesis we use the KB theory to develop simplified coarse-grained models for aqueous binary and ternary mixtures. On the other hand, by resolving the integrals of the pair-correlation functions to the contributions arising from different modes of spatial separation between the solution components, the KB theory is also used to explain the ion-specific pairing mechanisms between Hofmeister ions and the ion-specific changes in the solvation thermodynamics of solutes in aqueous solutions with all-atom simulations.

This thesis includes a theoretical account on the Kirkwood-Buff theory explaining the relevant thermodynamic relations which is followed by a review on the applications of the Kirkwood-Buff theory to the computer simulations of aqueous solutions. Then this thesis proposes a new method of coarse-graining by combining the structure-based Iterative Boltzmann Inversion (IBI) method and the Kirkwood-Buff (KB) theory. The method, KB-IBI, is applied to binary mixtures of urea-water and benzene-water and the single-site coarse-grained potentials for the molecules are found to be consistent with the atomistic pair-correlations and the variations in the urea or benzene chemical potentials with different solution concentrations. As urea serves as a chemical denaturant for proteins, application of these coarse-grained potentials to the ternary mixtures of solutes in urea-water would be the first step towards modeling the urea-driven conformational changes in biomolecules. So the preferential interactions between benzene and urea are studied with single-site coarse-grained models and the variation in the solvation free-energy of benzene with different urea concentrations has been reproduced in agreement with the atomistic model. The representability and the convergence of the KB-IBI coarse-grained models at a particular state-point where the model is parametrized are discussed in terms of the thermodynamic quantities such as pressure, potential energy and the variation in the solvation free-energy for the systems of pure water, binary urea-water mixture and ternary benzene-urea-water mixtures at infinite benzene dilution. The transferability issue of the KB-IBI potentials at different urea concentrations has also been examined and a cluster analysis of benzene in urea-water solutions is discussed.

With all-atomistic simulations the application of the KB theory in an analysis of monovalent alkali cation pairing with biologically relevant anions such as acetate or phosphate has revealed a ion-specific variation in the water-mediated ion-pairs which leads to the variation in the activity of the salts. Contributions to the integrals of the pair-correlation functions originating from the different ion pairing modes, namely contact ion-pairs (direct pairing between the cation and the anion), solvent-shared ion-pairs (solvation-shells of the ions are shared) or solvent-separated ion-pairs (solvation-shells of the ions are separated), have been analysed. It has been found that solvent-separated ion-pairing mechanism for phosphate and solvent-shared mechanism for acetate play the major role in the ion-specific changes in the salt activity in the solution; whereas for chloride solutions contact ion-pairing mechanism prevails over solvent-mediated mechanisms. For the ternary systems of solutes in the salt-solutions, the interactions between benzene and the ions in aqueous solutions of the alkali chlorides have been studied with KB theory and different force-fields models have been tested. Simulation data suggest that the direct correlations between benzene and ions play more significant role rather than the indirect ion-pairing to explain the ion-specific decrease in the solubility of benzene, termed as ion-specific salting-out of benzene, upon addition of salts. A geometric packing of hydrated lithium ions around benzene is found to be the reason of lithium chloride being less salting-out agent than sodium chloride or potassium chloride. Calculation of the integrals of the pair-correlation functions over volume, termed as Kirkwood-Buff integrals (KBIs) and which are the key quantities in the KB theory to relate the local pair-structures to the thermodynamic quantities, does come with many technical issues. Calculation of more precise KBIs and the effect of the system size and the simulation time on the KBIs are discussed with the help of binary mixtures of urea-water and methanol-water where the convergence issues of the KBIs are more pronounced due to the microheterogeneity of the solutions and slower dynamics of the local domains.

This thesis serves as an account on the diverse applicability of KB theory to the computer simulations of biologically important systems. The newly developed coarse-graining method, KB-IBI, can be thought as a novel step towards modeling aqueous single-phase solutions and can potentially be extended to model polymers or biomacromolecules in urea-water or other cosolvent-water solutions. Also the KB theory in general can be used to quantify the preferential solvation of the solutes with cosolvents and to study the conformational changes in the biomolecules, provided that the technical issues in the calculation of the KBIs are addressed properly.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Fluktuationstheorie von Lösungen verknüpft Teilchenfluktuationen und Paarkorrelationen zwischen den Partikel auf einer lokalen Ebene mit den globalen thermodynamischen Eigenschaften. Co-Lösungsmittel, welche das Verhalten von gelösten (Bio)Molekülen in wässriger Lösung beeinflussen, können in molekulardynamischen Simulationen modelliert werden. Die Fluktuationstheorie von Lösungen ermöglicht eine theoretische Beschreibung um die spezifischen Wechselwirkungen zwischen gelöstem Teilchen und Co-Lösungsmittel zu beschreiben. Man erhält so Informationen über bevorzugte Solvatation oder bevorzugte Bindungsbildung. Dies ist sehr wichtig um Konformationsänderungen in Biomakromolekülen unter verschiedenen Co-Lösungsmittelbedingungen zu untersuchen. Obwohl mit Hilfe von Computersimulationen Wechselwirkungsmechanismen oder die Dynamik eines Systems auf einer molekularen Ebene berechnet werden können, gibt es aufgrund gewisser Einschränkungen, wie z.B. des hohen rechnerischen Aufwandes, der Genauigkeit der verwendeten Modelle oder des Vergleichs mit experimentellen Daten, Herausforderungen, die gelöst werden müssen. Die Anzahl an Teilchen in einem System lässt sich signifikant verringern, indem man mehrere Atome zu einem Superatom zusammenfasst, eine sog. Vergröberungskugel. Dies führt zu einer erheblichen Beschleunigung der Simulationen. Mit dieser Vergröberung des Systems lassen sich größere Systeme auf einer längeren Zeitskala simulieren, welche zur Untersuchung der meisten biologischen Prozesse notwendig ist. Die Fluktuationstheorie von Lösungen, erstmals vorgestellt von Kirkwood und Buff im Jahre 1952, kann dazu genutzt werden, um die aus den Simulationen erhaltenen Daten über Paarstrukturen der Systeme mit experimentell zugänglichen thermodynamischen Größen zu verknüpfen. Dazu gehört die Änderung des chemischen Potentials des gelösten Teilchens bei unterschiedlichen Konzentrationen des Co-Lösungsmittels. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe der Kirkwood-Buff Theorie Vergröberungsmodelle für binäre und ternäre wässrige Mischungen zu entwickeln. Darüber hinaus dient sie zur Erklärung der Mechanismen der Ionenpaarung und der Wechselwirkungen der gelösten Stoffe mit den Ionen auf einer atomistischen Skala. Die hier vorgelegte Arbeit liefert zunächst eine Zusammenfassung der Kirkwood-Buff Theorie um die relevanten thermodynamischen Beziehungen zu erklären. Des weiteren wird eine Nachbetrachtung der Anwendung der Kirkwood-Buff Theorie in Computersimulationen wässriger Lösungen präsentiert. Anschließend wird ein neues Vergröberungsmodell vorgeschlagen, welches die Struktur basierte Iterative Boltzmann Inversion (IBI) mit der Kirkwood-Buff (KB) Theorie verknüpft. Diese Methode, KB-IBI, wird auf binäre Mischungen aus Harnstoff-Wasser und Benzol-Wasser angewandt. Die Superatom-Vergröberungs-Potentiale der Moleküle stimmen mit den atomistischen Paarstrukturen und den Veränderungen des chemischen Potentials von Harnstoff oder Benzol, bei unterschiedlichen Konzentrationen der Lösungen, überein. Da Harnstoff als chemisches Denaturierungsmittel für Proteine dient, wäre ein erster Schritt um die von Harnstoff verursachten Konformationsänderungen in den Biomolekülen zu modellieren, die Anwendung dieser Vergröberungspotentiale auf Simulationen ternärer Systeme von gelösten Molekülen in Harnstoff-Wasser-Lösungen. Die bevorzugten Wechselwirkungen zwischen Benzol und Harnstoff werden also mit den Superatom-Vergröberungsmodellen untersucht. Die korrekte Veränderung der freien Lösungsenergie von Benzol, je nach Harnstoffkonzentration, konnte erfolgreich reproduziert werden. Die Darstellbarkeit und Konvergenz der KB-IBI-Vergröberungsmodelle an dem Zustandspunkt, welcher zur Parametrisierung des Models genutzt wurde, wird an Hand thermodynamischer Größen wie Druck, potentielle Energie oder der Veränderung der freien Lösungsenergie von reinem Wasser, binären Harnstoff- Wassermischungen und ternären Benzol-Harnstoff-Wassermischungen bei unendlicher Verdünnung von Benzol, diskutiert. Die Übertragbarkeit der KB-IBI Potentiale bei verschiedenen Harnstoffkonzentrationen wurde ebenfalls im Detail untersucht. Auch wird eine Clusteranalyse von Benzol in Harnstoff-Wasser Lösungen diskutiert. Rein atomistische Simulationen, um den Mechanismus der Ionenpaarung monovalenter Alkalikationen mit biologisch relevanten Anionen, wie Acetat oder Phosphat mittels KB-Theorie zu verstehen, haben gezeigt, dass in Wasser vorliegende Ionenpaare ionenspezifisch verändert werden, was zu einer Änderung der Aktivität der Salze führt. Für ternäre Systeme aus gelösten Stoffen in Salzlösungen sind die Wechselwirkungen zwischen Benzol und den Ionen in wässriger Alkalichloridlösung mit der KB Theorie und verschiedenen Kraftfeldmodellen untersucht worden. Die erhaltenen Daten lassen darauf schließen, dass direkte Korrelationen zwischen Benzol und den Ionen eine größere Rolle spielen als die indirekte Ionenpaarung, um nach Hinzufügen der Salze die ionenspezifische Erniedrigung der Löslichkeit von Benzol, das sog. ionenspezifische Aussalzen von Benzol ,zu erklären. Eine räumliche Ansammlung hydratisierter Lihium-Ionen um das Benzol ist als Grund für die geringere Fähigkeit des Aussalzens von Lithiumchlorid im Vergleich zu Natriumchlorid oder Kaliumchlorid ermittelt worden. Berechnungen der Integrale der Paarkorrelationsfunktionen über das Volumen, auch Kirkwood-Buff Integrale (KBI) genannt, stellen einige technische Anforderungen. Die KBI sind die Schlüsselgrößen in der KB Theorie, die die Zuordnung der lokalen Paarstrukturen zu den thermodynamischen Größen ermöglichen. Berechnungen genauerer KBI und der Einfluss der Größe des Systems, sowie der Simulationszeit werden an Hand von Simulationen binärer Mischungen von Harnstoff- Wasser und Methanol-Wasser diskutiert. In diesen Systemen sind Konvergenzprobleme besser zu ermitteln, da die Lösungen eine Mikroheterogenität aufweisen und die lokalen Einheiten einer langsameren Dynamik folgen. Die hier vorliegende Arbeit dient als Zusammenstellung für die verschiedene Anwendbarkeit der KB Theorie für Computersimulationen biologisch wichtiger Systeme. Die neu entwickelte Vergröberungsmetode, KB-IBI, kann als ein neuer Schritt auf dem Weg einphasige, wässrige Lösungen zu modellieren und möglicherweise darüber hinaus zur Beschreibung von Polymeren oder Biomakromolekülen in Harnstoff- Wasser- oder anderen Co-Lösungsmittel-Wasser-Lösungen, gesehen werden. Allgemein kann die KB Theorie auch dazu genutzt werden um das bevorzugte Lösungsverhalten von gelösten Teilchen mit Co-Lösungsmitteln akkurat zu quantifizieren und Konformationsänderungen von Biomolekülen zu untersuchen, vorausgesetzt die technischen Probleme bei der Berechnung der KBI werden ansprechend gelöst.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Physical Chemistry
Date Deposited: 28 Jan 2014 09:17
Last Modified: 28 Jan 2014 09:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37817
Referees: van der Vegt, Prof. Dr. Nico F. A. and Berger, Prof. Dr. Robert and Böhm, aplProf Dr Michael C. and Bonaccurso, PD Dr. Elmar
Refereed: 12 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3781
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