Comparison Of Interaction Of Poly(Ethylene Glycol) And Poly(Oligo (Ethylene Glycol) Methyl Ether Methacrylate) With Water Using Molecular Dynamics Simulation

Abstract

Bu tez, MD simülasyonları kullanarak konformasyonel, hidrasyon ve H-bağlanma özelliklerini inceleyerek polietilen glikol (PEG) ve poli(oligo(etilen glikol) metakrilat) (POEGMA)'ın su ile etkileşimini karşılaştırmaktadır. 4, 8, 12, 16 ve 20 tekrarlayan birim içeren POEGMA ile 20 ve 40 birim içeren PEG'in moleküler modelleri Avogadro ve CHARMM GUI yazılımları kullanılarak hazırlanmıştır. Tüm polimerler TIP3 su kutularında çözündürülmüştür. Bağlanmış ve bağlanmamış etkileşimler için Charmmff parametreleri kullanıldı. MD simülasyonları TRUBA yüksek performanslı hesaplama platformunda LAMMPS yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kısa minimizasyon ve 1 ns'lik dengeleme çalışmalarının ardından 15 s'lik üretim çalışması gerçekleştirilmiştir. Elde edilen yörüngeler VMD yazılımı ve MD analizi kullanılarak düzenlenmiş ve analiz edilmiştir. İki polimerin sulu ortamdaki davranışlarını karşılaştırmak için dönme yarıçapı (Rg), su kabuğu ve hidrojen bağı gibi temel özellikler araştırılmıştır. Sonuçlar her iki polimerde de belirgin farklılıklar ortaya koymuştur. PEG, aynı sayıda tekrar eden etilen glikol birimine sahip POEGMA ile karşılaştırıldığında, kompakt rastgele sarmal yapı oluşturan biraz daha düşük ve daha az kararlı (her bir PEG zinciri için ortalama 9,73 ve 13,41 Å) Rg değerleri sergilemiştir. Su kabuğu analizi, PEG etrafındaki su kabuğundaki su molekülü sayısının (N(H2O)) (PEG20 ve 40 için sırasıyla ortalama N(H2O) 244.9 ve 418.6) esas olarak kararlı olmadığını göstermiştir. Su molekülü sayısındaki kararsızlık, konformasyonun kararsız olmasına atfedilmiştir. Son olarak, POEGMA ile karşılaştırıldığında, PEG ile daha yüksek bir ortalama H-bağı sayısı gözlemlenmiştir. Öte yandan, POEGMA biraz daha yüksek Rg değerleri ve kısa zincirler için kararlı bir yapı sergilemiştir (4 ve 8-mers POEGMA için sırasıyla 13,46 ve 15,78 Å). Zincir boyutu ile Rg değerlerindeki artış PEG'e kıyasla daha küçük çıkmıştır. Ayrıca, POEGMA zincirlerinin çok daha kararlı ve daha fazla N(H2O) değerlerine sahip olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte, eşdeğer POEGMA için H-bağı sayılarının daha düşük olduğu bulunmuştur. Zincir boyunca H-bağı dağılımı da PEG ve POEGMA zincirleri için farklıdır. Anahtar Kelimeler: PEG, POEGMA, MD simulasyonu, dönme yarıçapı, su kabuğu analizi, H bağı analizi

This thesis compares the interaction of polyethylene glycol (PEG) and poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (POEGMA) with water, by studying the conformational, hydration and H-bonding properties using MD simulations. Molecular models of POEGMA with 4-, 8-, 12-, 16- and 20 and PEG with 20- and 40 repeating units were prepared using Avogadro and CHARMM GUI software. All polymers were solvated in TIP3 water boxes. Charmmff parameters were used for the bonded and non-bonded interactions. The MD simulations were performed on TRUBA high-performance computing platform using LAMMPS software. After short minimization and 1 ns equilibration runs, 15 s of production run was carried out. The resulting trajectories were organized and analyzed using VMD software and MD analysis, and key properties like radius of gyration(Rg), watershell and hydrogen-bonding were investigated to compare the behaviour of two polymers in aqueous environment. The results revealed distinct differences in both polymers. PEG exhibited Rg values which were slightly lower and less stable (9.73 and 13.41 Å of mean values for each PEG chains) conformations forming compact random helical structure, when compared with POEGMA having the same number of repeating ethylene glycol units. The watershell analysis showed that the number of water molecules (N(H2O)) in the watershell around PEG (mean N(H2O) of 244.9 and 418.6 for PEG20 and 40, respectively) is not stable mainly due to the unstable structure. Lastly, a higher average H-bond count is observed with PEG, when compared with POEGMA. On the other hand, POEGMA showed slightly higher Rg values but stable structure for shorter chains (13.46 and 15.78 Å for 4- and 8-mers POEGMA, respectively). The increase in Rg values with chain size was small compared to PEG. POEGMA chains also showed much more stable and more N(H2O). However, the H-bond counts for equivalent POEGMA were lower. The H-bond distribution along chain was also distinct for PEG and POEGMA chains. Keywords: PEG, POEGMA, MD Simulation, Radius of gyration, watershell analysis, H-bond analysis