Studio computazionale di un biosensore con transistor ad effetto di campo al grafene basato su aptameri

Environmental pollution by steroidal estrogens represents an emerging issue for human health and aquatic ecosystems, as these compounds can exert significant endocrine effects even at extremely low concentrations. Current detection techniques commonly employed present various challenges, including high costs and the need for trained personnel. In this context, biosensors based on graphene field-effect transistors (gFETs) functionalized with aptamers offer a promising platform for selective and label-free detection of target molecules. This thesis presents a computational study aimed at understanding the molecular mechanisms underlying the operation of a gFET aptasensor for the detection of 17β-estradiol. Firstly, two variants of estradiol-specific aptamers (A22 and A35) were modeled and characterized through molecular dynamics simulations, analyzing their structural stability and conformational behavior in aqueous solution. Subsequently, an ensemble docking approach, followed by contact-based rescoring and clustering, was used to identify the most probable binding poses between the aptamers and estradiol. The selected poses were further validated through molecular dynamics simulations, both in solution and in the presence of graphene sheets, in order to study the aptamer orientation, the stability of adsorption, and DNA–graphene interactions. The electrostatic potential generated by the bound and unbound complexes was calculated and correlated with the Dirac point shift of the device, providing a direct link between molecular properties and the sensor’s electrical response. Finally, enhanced sampling techniques were employed to estimate the free energy of aptamer dissociation from the graphene surface. The results obtained provide an atomistic description of the signal transduction process in gFET aptasensors and offer useful insights for the rational optimization of highly sensitive biosensors for environmental monitoring of estrogens.

L’inquinamento ambientale da estrogeni steroidei rappresenta una problematica emergente per la salute umana e gli ecosistemi acquatici, poiché tali composti possono esercitare effetti endocrini significativi anche a concentrazioni estremamente basse. Le tecniche auttuali di detection comunenemente impiegate, presentano varie problematiche tra cui costi elevati e necessità di un personale addestrato . In questo contesto, i biosensori basati su transistor a effetto di campo in grafene (gFET) funzionalizzati con aptameri offrono una piattaforma promettente per la rivelazione selettiva e label-free di molecole target. Questa tesi presenta uno studio computazionale finalizzato alla comprensione dei meccanismi molecolari alla base del funzionamento di un aptasensore gFET per il rilevamento del 17$\beta$-estradiolo. In primo luogo, sono state modellate e caratterizzate due varianti di aptameri specifici per l’estradiolo (A22 e A35) mediante simulazioni di dinamica molecolare, analizzandone la stabilità strutturale e il comportamento conformazionale in soluzione acquosa. Successivamente, un approccio di docking ensemble, seguito da rescoring e clustering basato sui contatti, ha permesso di identificare le pose di legame più probabili tra aptameri ed estradiolo. Le pose selezionate sono state ulteriormente validate tramite simulazioni di dinamica molecolare, sia in soluzione sia in presenza di fogli di grafene, al fine di studiare l’orientazione dell’aptamero su di essi, la stabilità dell’adsorbimento e le interazioni DNA–grafene. Il potenziale elettrostatico generato dai complessi legati e non legati è stato calcolato e correlato allo spostamento del punto di Dirac del dispositivo, fornendo un collegamento diretto tra le proprietà molecolari e la risposta elettrica del sensore. Infine, tecniche di enhanced sampling sono state impiegate per stimare l’energia libera di dissociazione dell’aptamero dalla superficie di grafene. I risultati ottenuti forniscono una descrizione atomistica del processo di trasduzione del segnale in aptasensori gFET e offrono indicazioni utili per l’ottimizzazione razionale di biosensori ad alta sensibilità per il monitoraggio ambientale degli estrogeni.