Analysis of solute-water interactions by partitioning in multiple aqueous two-phase systems

Abstract

O objetivo principal do presente trabalho é contribuir para a melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na partição de solutos em sistemas de duas fases aquosas (SDFAs). Para este trabalho, foram selecionados sistemas PEG–Na2SO4 e PEG–DEX e foi estudado o efeito da adição de diferentes sais aditivos (NaCl, NaClO4, NaSCN e NaH2PO4) e/ou osmólitos (Sorbitol, Sacarose, Trealose e TMAO) nas propriedades do solvente no meio aquoso nas fases e na partição de solutos. Os parâmetros solvatocrómicos, polaridade (π*), capacidade do solvente em participar como dador (α) e como aceitador (β) de pontes de hidrogénio foram determinados e usados para caracterizar as fases em equilíbrio dos SDFAs. Os sistemas foram também caracterizados em termos das diferenças de hidrofobicidade relativa e das propriedades eletrostáticas das fases. Os coeficientes de partição (K) de várias biomoléculas (compostos orgânicos de baixo peso molecular iónicos e não iónicos e proteínas) foram determinados em todos os SDFAs. Verificou-se que os coeficientes de partição destes compostos podiam ser correlacionados de acordo com a equação de Collander. A partição dos solutos e as interações soluto-solvente foram descritas como uma combinação linear dos descritores específicos dos solutos, por uma relação linear de energia livre (LFER) baseada no modelo de Abraham, e previamente modificada. Os descritores específicos dos solutos obtidos em SDFAs com e sem aditivos foram comparados para verificar a existência de interações diretas aditivo-solutos ou se a presença dos aditivos aumentava a estabilidade estrutural dos solutos apenas através do seu efeito nas propriedades da água como solvente. O uso da equação de Collander e/ou da LFER para determinar os descritores específicos de moléculas biológicas e, consequentemente, para prever o comportamento da partição de solutos em SDFAs previamente caracterizados, mostrou ser um contributo importante para um conhecimento mais profundo dos SDFAs. Os resultados apresentados contribuem para uma melhor interpretação dos efeitos de diferentes aditivos na partição de solutos. Espera-se que estes contribuam para o design de SDFAs mais eficientes que possam ser usados numa vasta gama de aplicações.

The main purpose of the present work is to contribute for a better understanding of the mechanisms governing solute partitioning in aqueous two‐phase systems (ATPSs). For this work, PEG–Na2SO4 and PEG–DEX systems were selected and the effect of addition of different salts additives (NaCl, NaClO4, NaSCN and NaH2PO4) and/or osmolytes (Sorbitol, Sucrose, Trehalose and TMAO) on phases solvent properties and in solute partitioning was assessed. The solvatochromic parameters characterizing the solvent's dipolarity/polarizability (π*), solvent hydrogen‐bond donor acidity (α), and solvent hydrogen‐bond acceptor basicity (β) of aqueous media were measured in the coexisting phases of each of the systems used. Also, all the systems were characterized in terms of the difference between the relative hydrophobicity and the electrostatic properties of the phases. Partition coefficients (K-values) of several biomolecules (ionic and nonionic small organic compounds and proteins) were obtained in all the ATPSs. It was found that the partition coefficients of the compounds were correlated according to the so-called Collander equation. Solutes partitioning and solutes-solvent interactions were described by a Linear Free Energy Relationship (LFER) based on the Abraham model, which was previously modified, as a linear combination of the so-called solute specific descriptors. The solute specific descriptors values obtained in ATPSs containing different additives were compared to those obtained in ATPSs without additives to verify if there were direct additive-solutes interactions or whether the additive presence enhances the solute structure stability due to its effect on the water solvent properties only. The use of the Collander equation and/or the LFER to determine solute specific descriptors for biological molecules and, consequently, to predict solute partitioning behavior in previously characterized ATPSs, was shown to be a valuable contribution to the understanding of ATPSs technology. The results presented not only contribute for better interpreting the effects of different additives on the solute partition in ATPSs but will also result in the design of more efficient ATPSs to be used in a wide range of applications.