Μελέτη της ευστάθειας της διπλής έλικας του DNA σε περιβάλλοντα μικτών διαλυτών με μεθόδους μοριακής προσομοίωσης

• Κύριος συγγραφέας: Τσάλα, Άννα
• Άλλοι συγγραφείς: Tsala, Anna
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Μοριακή προσομοίωση; Μίγμα διαλυτών; DNA; Diglyme; Double helix stability; Molecular simulation; Mixed solvent

H δομή του DNA είναι καθοριστικής σημασίας για θεμελιώδεις βιολογικές διεργασίες της ζωής. Η χαρακτηριστική ελικοειδής διαμόρφωση που επιδεικνύουν τα δίκλωνα βιοπολυμερή DNA οφείλει τη δημιουργία και τη σταθερότητά της τόσο στη χωρική διευθέτηση των υδρόφοβων αζωτούχων βάσεων προς το εσωτερικό του μορίου, κατά τρόπον ώστε να ελαχιστοποιούνται οι αλληλεπιδράσεις με το υδατικό περιβάλλον, όσο και στην παρουσία σταθεροποιητικών δεσμών υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων. Σε βιολογικές διεργασίες όπου απαιτείται αντιγραφή, μεταγραφή ή ανασυνδυασμός του DNA, τα κύτταρα εκθέτουν τμήματα του γενετικού υλικού σε μερικώς υδρόφοβο περιβάλλον για το ξεδίπλωμα των δυο κλώνων και την αποστοίβαξη των βάσεων. Πρόσφατες πειραματικές μελέτες υποδεικνύουν τη δυνατότητα ελεγχόμενης αποστοίβαξης των βάσεων σε μερικώς υδρόφοβα περιβάλλοντα συνιστώμενα από υδατικά μίγματα με μεγάλη συγκέντρωση σε αιθέρες αιθυλενογλυκόλης, με πληθώρα πιθανών επιπτώσεων για τις στερεοχημικές και λειτουργικές αλληλεπιδράσεις του DNA με πρωτεΐνες και φαρμακευτικές ουσίες. Για το λόγο αυτό, στην παρούσα εργασία το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην υπολογιστική μελέτη της διαμόρφωσης του DNA σε περιβάλλοντα μικτών διαλυτών. Συγκεκριμένα, μελετάται η επίδραση της μεταβολής της συγκέντρωσης ενός δυαδικού μίγματος διαλύτη, του νερού και του δισ-(2-μεθοξυαιθυλ)-αιθέρα ή diglyme, τόσο στη διαμόρφωση του μορίου DNA, όσο και στη συμπεριφορά των μορίων νερού κοντά στην έλικα του DNA (helical spine of hydration). Για το σκοπό αυτό, προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής μεγάλης ατομιστικής λεπτομέρειας έλαβαν χώρα για μικτά διαλύματα μικρών δίκλωνων γραμμικών μορίων DNA, μοριακού μήκους μόλις είκοσι τεσσάρων ζευγών βάσεων. Μελετήθηκαν οι συγκεντρώσεις 0%, 5%, 35%, 70% και 100% κ.β. diglyme, ενώ ταυτόχρονα διερευνήθηκαν δύο διαφορετικές αλληλουχίες βάσεων (AT και ATCG). Σε δεύτερο επίπεδο, πραγματοποιήθηκε η οπτικοποίηση των υποβληθέντων σε προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής συστημάτων, προκειμένου να διερευνηθεί η χωρική ομοιογένεια του μίγματος διαλυτών. Η προσομοίωση των συστημάτων έγινε εφαρμόζοντας τελευταίας γενιάς δυναμικά πεδία της οικογένειας AMBER, λαμβάνοντας υπόψη την πιο πρόσφατη τροποποίηση (PARMBSC1) που αναπτύχθηκε αποκλειστικά για DNA. Όσον αφορά το diglyme, επιλέχθηκε η χρήση ενός γενικευμένου AMBER δυναμικού πεδίου (GAFF). Οι σχετικά μεγάλης διάρκειας (εκατοντάδων νάνο-δευτερολέπτων) τροχιές Μοριακής Δυναμικής αναλύθηκαν με στόχο τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων διαμόρφωσης και της δυναμικής του μορίου. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, συγκρινόμενα με παλαιότερα πειραματικά και υπολογιστικά σχετικά με τις κατανομές των δίεδρων γωνιών στη ραχοκοκαλιά του DNA, φανέρωσαν τη διατήρηση σταθερής δομής DNA B-τύπου για μηδενική συγκέντρωση του μίγματος σε diglyme. Μερικές αξιοσημείωτες αποκλίσεις αρχίζουν να εμφανίζονται με την προσθήκη του οργανικού διαλύτη (di-glyme) σε συγκεντρώσεις μεταξύ 5-35% κ.β., οι οποίες γίνονται ιδιαιτέρως εμφανείς καθώς η συγκέντρωση αυξάνεται σε 100% κ.β. Στα πλαίσια της περαιτέρω διερεύνησης των ιδιοτήτων διαμόρφωσης, υπολογίστηκε και η χρονική εξέλιξη της μέσης τετραγωνικής γυροσκοπικής ακτίνας και του μέσου τετραγωνικού απ’ άκρου-εις-άκρου διανύσματος του DNA. Περαιτέρω, ποσοτικοποιήθηκε η δομική διακύμανση του DNA (structural variation) γύρω από μια δομική διαμόρφωση αναφοράς συναρτήσει της συγκέντρωσης diglyme και παρατηρήθηκε μετρήσιμη αύξηση αυτής με αυξανόμενη συγκέντρωση diglyme, σχετικώς ήπια για συγκεντρώσεις diglyme έως και 70%, και δραματικά αυξημένη για καθαρά διαλύματα di-glyme. Επιπλέον, έμφαση δόθηκε στον προσδιορισμό της έκτασης του βαθμού ενυδάτωσης των προσομοιωμένων μορίων DNA. Για αυτό το σκοπό, παρουσιάζεται ο αριθμός των δεσμών υδρογόνου του DNA-νερού και του DNA-diglyme, καθώς και η χρονική εξέλιξη της συνάρτησης κατανομής μεταξύ ατόμων υδρογόνου νερού και κατάλληλων ατόμων της μικρής και μεγάλης αύλακας του DNA. Σε τελικό στάδιο, πραγματοποιήθηκε η οπτικοποίηση των προσομοιωμένων συστημάτων DNA για την παρατήρηση της χωρικής ομοιογένειας της κατανομής φάσεων του δυαδικού μίγματος διαλύτη. Παρατηρήθηκε διαχωρισμός φάσεων των δυο συστατικών του μίγματος διαλυτών, με το μόριο του DNA να βρίσκεται στην υδατική φάση. Το αποτέλεσμα αυτό αιτιολογεί τη σχετικά ήπια επίδραση της παρουσίας του diglyme (για συγκεντρώσεις έως και 35%) σε μεγέθη ενδιαφέροντος, όπως η δομική διακύμανση, η αναπνοή των βάσεων και η μεταβολή του πλήθους των δεσμών υδρογόνου του DNA με το νερό.