NYHET Hur läkemedel rör sig i naturen påverkar risken för att de sprids i mark och vatten. I sin doktorsavhandling har Rogers Swai använt avancerade datorsimuleringar för att visa och kvantifiera hur läkemedelsmolekylers egenskaper styr deras förmåga att binda till lermineral. Resultaten ger nya insikter i de processer som påverkar läkemedels spridning i miljön.
Det har länge varit känt från experiment att ett läkemedels laddning påverkar hur starkt det binder till mineralytor i naturen. Laddningen förändras i sin tur beroende på pH-värdet i vattnet. Det som hittills har varit svårt att förstå är exakt varför detta sker på molekylnivå.
Genom molekyldynamiksimuleringar har Rogers Swai kunnat följa enskilda läkemedelsmolekyler och studera deras rörelser och interaktioner med lermineral på molekylär nivå. Resultaten visar hur förändringar i laddning och vattnets saltinnehåll påverkar molekylernas förmåga att binda till ytor, hur vattenmolekyler deltar i processen och vilka krafter som avgör om ett läkemedel blir kvar eller förs vidare i miljön.
– Man kan se datorsimuleringar som numeriska experiment. Först förberedde jag ett system i ett visst tillstånd. Därefter lät jag systemet utvecklas enligt Newtons rörelselagar genom molekyldynamiska simuleringar. När systemet hade nått jämvikt mätte jag de egenskaper jag var intresserad av.
Bild[Simon Jönsson]
Studien fokuserar på antibiotikan ciprofloxacin, ett av världens mest använda antibiotika. Simuleringarna visar att samma läkemedel kan uppträda mycket olika beroende på om det befinner sig i sura, neutrala eller basiska miljöer. Vissa former binder starkt till lerpartiklar och blir relativt immobila, medan andra former lättare kan transporteras vidare med vatten.
Antibiotikarester finns i vattenmiljöer över hela världen, och deras spridning kopplas bland annat till utvecklingen av antibiotikaresistens. Ju bättre vi förstår de processer som styr hur läkemedel rör sig mellan vatten, jord och sediment, desto bättre möjligheter får vi att förutsäga deras miljöpåverkan och utveckla strategier för att minska den. Genom att avslöja de molekylära mekanismerna bakom dessa processer bidrar avhandlingen med kunskap som kan användas inom framtidens miljö- och vattenforskning.
Avhandlingen kompletterar tidigare experimentella studier genom att visa vad som faktiskt sker på molekylnivå. Där experiment kan visa att ett fenomen existerar kan simuleringarna avslöja de underliggande mekanismerna.
– Vi har tagit fram en modell som andra forskargrupper kan använda för att skapa motsvarande databaser för andra vanliga naturliga mineraler, som järnoxider och zeoliter. Informationen i databasen kan sedan användas för att träna avancerade AI-modeller. I stället för att låta superdatorer köra beräkningar i flera veckor för varje ny molekyl kan AI:n använda denna information för att på bara några sekunder uppskatta hur miljontals olika ämnen binder till lera.
Bild[Simon Jönsson]
I takt med att våra datorers beräkningskraft ökat så kraftigt senaste decenniet blir datorsimuleringar ett allt viktigare verktyg för att utforska naturens minsta byggstenar. Rogers Swai’s forskning visar hur molekyldynamiksimuleringar kan fungera som ett slags virtuellt mikroskop, där forskare kan följa molekylernas rörelser och interaktioner i detalj. Det ger inte bara ny kunskap om läkemedel i miljön, utan illustrerar också hur modern kemi i allt större utsträckning förenar experiment, teori och avancerade datorsimuleringar för att förstå och lösa komplexa samhällsutmaningar.
Titel: Molecular dynamics simulations of pharmaceutical adsorption to montmorillonite under environmental conditions
Författare: Rogers Swai, Department of Chemistry, Umeå University
Handledare: Michael Holmboe