Simulação computacional visando a produção de novos polímeros molecularmente impressos para análises clínicas e forenses

Abstract

Polímeros molecularmente impressos (MIPs) são soluções promissoras para a detecção de analitos devido à sua capacidade de mimetizar interações antígeno-anticorpo, além de serem acessíveis e versáteis em diversas condições de síntese. Esta tese objetivou desenvolver MIPs teóricos para o antígeno prostático específico (PSA) e o opioide fentanil. Diante da crescente incidência de câncer de próstata, métodos para monitorar precocemente o PSA são essenciais. Além disso, a crise dos opioides, principalmente nos EUA e Canadá, destaca a urgência na detecção eficaz de fentanil. No entanto, embora os MIPs sejam materiais estáveis, seletivos e sensíveis, a síntese desses materiais, especialmente para proteínas, apresenta desafios significativos, como a diminuição da seletividade. Como resultado desta tese, foi desenvolvido o Algoritmo de Ligação Molecular para Mapeamento de Superfície (MBASM), capaz de gerar complexos entre analitos e monômeros. A validação do MBASM + DFT demonstrou alta eficácia em comparação com o GFN2-xTB e o método Quantum Cluster Growth no CREST, otimizando as interações. Além disso, foram realizadas análises estruturais, propriedades de cargas (Hirshfeld), QTAIM, análise de orbitais moleculares, obtenção da energia de ligação e, para avaliar a força das interações moleculares, foram aplicadas análises de correlação de Spearman e testes de significância com bootstrap. Os monômeros funcionais promissores identificados incluem ácido itacônico, ácido 4-imidazoleacrílico e ácido metacrílico para PSA, e ácido metacrílico para fentanil. Em ambos os casos, o 1,4-divinilbenzeno foi recomendado como o monômero estrutural ideal.

Molecularly imprinted polymers (MIPs) are promising solutions for analyte detection due to their ability to mimic antigen-antibody interactions, as well as being accessible and versatile under various synthesis conditions. This thesis aimed to develop theoretical MIPs for prostate-specific antigen (PSA) and the opioid fentanyl. Given the rising incidence of prostate cancer, methods for early monitoring of PSA are essential. Additionally, the opioid crisis, particularly in the USA and Canada, highlights the urgency for effective fentanyl detection. However, although MIPs are stable, selective, and sensitive materials, the synthesis of these materials, especially for proteins, presents significant challenges, such as reduced selectivity. As a result of this thesis, the Molecular Binding Algorithm for Surface Mapping (MBASM) was developed, capable of generating complexes between analytes and monomers. The validation of MBASM + DFT demonstrated high efficiency compared to GFN2-xTB and the Quantum Cluster Growth method in CREST, optimizing the interactions. Additionally, structural analyses, charge properties (Hirshfeld), QTAIM, molecular orbital analysis, and binding energy calculations were performed. To assess the strength of molecular interactions, Spearman correlation analyses and significance tests with bootstrap were applied. The promising functional monomers identified include itaconic acid, 4-imidazoleacrylic acid, and methacrylic acid for PSA, and methacrylic acid for fentanyl. In both cases, 1,4-divinylbenzene was recommended as the ideal structural monomer.