De eigenschappen van goud op nanoschaal verschillen aanzienlijk van die van bulkgoud. Van bijzonder belang zijn gouden nanoclusters, die zijn samengesteld uit tientallen tot enkele honderden goudatomen. Talloze van dergelijke clusterstructuren zijn bekend en kunnen tot atomaire precisie worden gesynthetiseerd. Het doel van dit proefschrift was om moleculaire dynamische simulaties toe te passen op het onderzoeken van eigenschappen van gouden nanoclusters in verschillende omgevingen. De simulaties laten zien dat gouden nanocluster door verschillende interacties aan virussen kan binden, en dat de sterkte van de interacties afhankelijk is van de pH-omstandigheden.

De toepasbaarheid van gouden nanoclusters in de geneeskunde wordt uitgebreid bestudeerd. Aan de Universiteit van Jyväskylä, het gebruik ervan is bijvoorbeeld aangetoond bij virusbeeldvorming. Gouden nanoclusters zijn over het algemeen samengesteld uit een gouden kern bedekt met een beschermende laag van verschillende moleculen. De beschermende laag bepaalt dus in wezen hoe de gouden nanocluster interageert met zijn omgeving. Bovendien, de eigenschappen van de gouden nanoclusters kunnen worden gewijzigd door het type moleculen in de beschermende laag aan te passen.

Het doel van het proefschrift van M.Sc Emmi Pohjolainen aan de Universiteit van Jyväskylä, Finland, was om verschillende gouden nanoclusters in verschillende omgevingen te bestuderen door middel van moleculaire dynamische simulaties. Moleculaire dynamische simulaties zijn een gevestigd hulpmiddel in studies van systemen waarvan de eigenschappen en dynamica moeten worden onderzocht in atomaire precisie, terwijl de rekentijd redelijk blijft.

Hoewel simulaties van moleculaire dynamica op grote schaal zijn gebruikt in studies van biomoleculen, het gebruik ervan in onderzoek naar metalen nanoclusters is relatief schaars geweest. Het allereerste doel van dit proefschrift was het ontwikkelen en valideren van parameters om het simuleren van dergelijke systemen mogelijk te maken. Deze parameters zijn sindsdien ook door andere groepen buiten de Universiteit van Jyväskylä gebruikt.

De zuurgraad regelt de binding van gouden nanoclusters aan het virus

Alle simulatieresultaten moeten in wezen worden verbonden met de experimentele gegevens. Enerzijds kunnen de experimentele resultaten worden aangevuld met simulatieresultaten, aan de andere kant moet de beschikbare experimentele informatie worden gebruikt om de goedheid van de simulatie te valideren. De simulaties die voor dit proefschrift zijn uitgevoerd, omvatten bijvoorbeeld het simuleren van gouden nanoclusters in interacties met virussen, door een systeem te bouwen met een volledige viruscapside bedekt met 60 gouden nanoclusters. Dit systeem bevatte zo'n 3,5 miljoen atomen, en is als zodanig een bijzonder groot systeem om op atomistische schaal te simuleren.

De resultaten onthulden dat gouden nanoclusters op verschillende manieren met het virus kunnen interageren, en de sterkte van deze interacties is afhankelijk van de pH-omstandigheden. Deze informatie kan in de toekomst worden gebruikt bij het ontwerpen van beeldvorming en medicijnmoleculen die moeten worden gebonden aan specifieke locaties op het virusoppervlak. Ook werd de binding van verschillende soorten medicijnmoleculen aan het virus gesimuleerd, en bindingssterkten werden vergeleken met die van gouden nanoclusters.

In dit proefschrift ook zelfassemblage van gouden nanoclusters tot vlokken of bolvormige structuren, eerder experimenteel waargenomen, werden gesimuleerd. De simulaties lieten zien dat de stabiliteit van dergelijke superstructuren afhankelijk is van zowel de oplosmiddelcondities als de verdeling van ladingen op het clusteroppervlak. Dus, zelfassemblage of demontage kan worden gecontroleerd door de oplosmiddel- en pH-omstandigheden te veranderen. Deze eigenschap zou bijvoorbeeld bruikbaar kunnen zijn in medicijndragermoleculen.