Estudio in silico del efecto de la microsolvatación en el sistema AMPA a diferentes pH

El uso extensivo de herbicidas no selectivos o de amplio espectro en la agricultura moderna, particularmente del glifosato (GLY), ha generado una creciente preocupación por sus efectos ambientales y en la salud humana (Katagi, 2010), tales como toxicidad, persistencia en el medio ambiente y potencial carcinogénico (S. H. Bai & S. M. Ogbourne, 2016). De hecho, los herbicidas son considerados contaminantes emergentes debido a su persistencia en el medio ambiente, lo que puede conllevar a que se altere la fisiología de los receptores orgánicos (Kumar et al., 2022). Es por esto que algunas organizaciones medioambientales y la Unión Europea han prohibido el uso de estos herbicidas en dicha región (Silva et al., 2018). Aun así, estos herbicidas, conocidos por su eficacia en el control de malezas, siguen siendo fundamentales para el manejo de cultivos transgénicos resistentes a ellos (Rose et al., 2018). En nuestro caso particular, en Colombia, el GLY está entre los herbicidas más empleados para maximizar la producción agrícola, la productividad del suelo y la calidad de los cultivos, lo que se traduce en beneficios económicos significativos (Villar Argaiz et al., 2021)(A. Rico, 2016). Adicionalmente, otro uso que avala el seguir empleando estos herbicidas es la erradicación de cultivos ilícitos, que es un problema que sigue afectando a nuestro país (Idrovo, 2015)(Cuartas Ocampo & Arévalo Ramírez, 2022). Una de las características de estos herbicidas que exacerba el problema de su presencia en diferentes matrices ambientales; aire, suelo y agua, es que solo una fracción del herbicida aplicado tiene el efecto deseado, mientras que el resto se deposita en suelos, sedimentos y aguas (Silva et al., 2018). Además, la toxicidad y la permanencia de estos contaminantes pueden aumentar debido a la degradación microbiana que genera metabolitos más persistentes, como el ácido aminometilfosfónico (AMPA) a partir del GLY (Amelin et al., 2012)(Blettler et al., 2023). La persistencia de estos herbicidas en medios acuosos es crítica ya que determina su transferencia a productos alimenticios y a los seres humanos. Por ejemplo, el estudio realizado en las plantas de tratamiento de agua potable comunitarias del corregimiento El Hormiguero (Valle del Cauca) demuestran resultados del análisis de los plaguicidas Glifosato (1,58 μg/L) y AMPA (2,19 μg/L) presentes en la salida de la tubería hacia las comunidades beneficiadas del líquido vital (López-Chilito & Manrique-Valencia, 2016). También se ha detectado la presencia de GLY en mieles comerciales registrando valores de 50 μg/kg, el cual está por encima del límite máximo de residuos permitido: 10 μg/kg (Stocks, 2016) (Blettler et al., 2023)(Ledoux et al., 2020). Otro estudio muy interesante, fue el realizado a mujeres prenatales para ver el efecto que tenía en ellas el haber estado expuestas a herbicidas en Estados Unidos en la región del medio oeste, encontrando que el 30% del total de inscritas presentaron partos prematuros y preeclampsia que pueden estar relacionados con las concentraciones de herbicidas una vez descartaron otros factores (Freisthler et al., 2023). Otro factor a considerar es que la persistencia es muy variada dependiendo de las condiciones medioambientales (Bohorquéz Vivas, 2020), por ejemplo, en el suelo y a nivel superficial se han reportado valores de vida media (DT50) entre 1 y 197 días y valores de DT90 (tiempo necesario para que el porcentaje a evaluar del GLY aplicado pueda evaporarse) entre 40 y 280 días (Silva et al., 2018). En cuanto a la toxicidad, existen estudios que clasifican los herbicidas en cuestión (GLY y GLA) como levemente a moderadamente tóxicos, basados en el DL50 oral en ratas del ingrediente activo fosfatado: 501 - 2.000 mg/kg (Annett et al., 2014). Incluso, de acuerdo a la clasificación de la Agencia de protección ambiental (EPA, 2024) estos herbicidas son considerados sustratos "menos tóxicos" (categoría IV) para un grupo reducido de organismos (Piola, 2011)(F. Cortés, 2000). Sin embargo, esto es un tema de alta controversia como se puede argumentar al observar que cada vez aumenta más el número de estudios en los que se relacionan problemas ambientales, pero también de salud humana con respecto a la presencia de estos herbicidas como ya se mencionaron anteriormente (López-Chilito & Manrique-Valencia, 2016)(González-Plazas, 2006). Es importante resaltar resaltar que la persistencia permite la bioacumulación y esto a su vez, al aumentar la bioconcentración puede conllevar a aumentar la toxicidad (Katagi, 2010). Por lo tanto, centrándonos en la característica de la persistencia, la permanencia en ambientes acuosos de estos herbicidas y/o metabolitos primarios pueden ser determinados en gran medida por la estabilización al formar agregados de pocas moléculas de agua (microsolvatación) a través de interacciones intermoleculares tales como puentes de hidrógeno, ion-dipolo, dipolo-dipolo (Windom et al., 2022). Adicionalmente, los medios acuosos pueden presentar diferentes pH, de modo que es conocido que las aguas subterráneas son básicas mientras las superficiales pueden ser más ácidas (Gutierrez & Arregui, 2005). La presencia de estos herbicidas en el medio, a su vez modifica el pH del agua lo que puede afectar la vida acuática, por ejemplo, disminuyendo la población de microorganismos (Soto et al., 2010). Por lo tanto, toma relevancia el considerar el pH para determinar la estabilidad del proceso de microsolvatación. La química computacional ofrece herramientas únicas para determinar propiedades fisicoquímicas que ayudan a entender procesos bioquímicos y fenómenos macroscópicos en medios acuosos a partir de simulaciones a nivel molecular (Castaldo et al., 2022)(Windom et al., 2022). Son variados los casos exitosos de simulación de la microsolvatación de solutos de interés químico y/o biológico, aquí nombraremos 3 casos particulares, primer caso: “El efecto de la microsolvatación del glifosato aniónico y catiónico” (Sacanamboy-Papamija, 2020), en donde realizaron una búsqueda estocástica empleando el algoritmo SnippetKick para obtenerlos mínimos globales a diferentes cantidades de moléculas de agua, véase Figura 1. Figura 1. Estructuras optimizadas de las conformaciones más favorables de los sistemas GLF1-H2On, (n = 1 - 6). Segundo caso: “Theoretical Study of the Microsolvatation of Aminomethylphosphonic Acid (AMPA)” (Mojica Diaz, D A., Padilla Sosa, 2021), trabajo de grado dirigido por miembros del equipo investigador y asesor de la presente propuesta, en donde ya se pasó a emplear además de métodos empíricos, se avanzó a optimización con DFT. En la Figura 2, se pueden observar 2 estructuras, reportadas en dicho estudio. (a) (b) Figura 2. Estructuras optimizadas de estructuras microsolvatadas de AMPA con (a) 3 moléculas y (4) moléculas de agua. Tercer caso: “Microsolvation Effects on the Excited-State Dynamics of Protonated Tryptophan” (Mercier et al., 2006), etc. En donde se evidencia que aún faltan variables a tener en cuenta como el de la temperatura, el tamaño máximo e ideal de la primera capa de solvatación, el efecto del pH o el efecto sinérgico de varias de estas variables. Con base en esto, la pregunta de investigación que surge es: ¿la estabilidad en medio acuoso a diferentes pH de herbicidas como el glifosato y el AMPA puede ser determinada a nivel molecular con una primera capa de solvatación? Para responder a esta pregunta, el proyecto se propone explorar la superficie de energía potencial de las estructuras microsolvatadas de los agregados glifosato-agua, AMPA-agua, incluyendo el efecto del pH. Para lo cual se seguirá la siguiente ruta: se obtendrán las estructuras estables correspondientes a mínimos globales de estos agregados a través de cálculos estocásticos y refinaciones con cálculos de optimización y frecuencias bajo la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT), se determinará la naturaleza y abundancia de las interacciones intermoleculares responsables de su estabilidad y se clasificará la estabilidad de los diferentes agregados en el tiempo mediante cálculos de dinámica molecular ab initio. Este enfoque permitirá una comprensión detallada del comportamiento de este metabolito del glifosato en medios acuosos y creemos firmemente que sentará las bases para desarrollar en un futuro métodos de purificación de agua y mitigación de la contaminación por herbicidas.