Stability of Ag-DNA nucleotide base complexes: A quantum-chemical study
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0043341Ключові слова:
Ag-DNA complexes, metallized DNA, thermodynamic stability, DFT calculations, solvation effectsАнотація
Взаємодії між ДНК і металами відіграють важливу роль як у біологічних процесах, так і у створенні ДНК-орієнтованих наноматеріалів. Зокрема, комплекси ДНК з іонами Ag⁺, які формують нанодріт усередині подвійної спіралі, мають як фундаментальне, так і практичне значення. У даній роботі представлено квантово-хімічне дослідження на основі теорії функціоналу густини (DFT) комплексів Ag⁺ з нуклеотидними основами ДНК, зосереджене на зв’язуванні Ag⁺ з атомом N1 тиміну, атомами N1 і N7 гуаніну та атомом N3 5-бромоцитозину. Функціонали B3LYP та M06-2X використовувалися в поєднанні з моделлю поляризованого континууму (PCM) та моделлю сольватації на основі густини (SMD). Отримані результати показують, що стабільність цих комплексів суттєво залежить від типу нуклеотидної основи та положення донорного атома. Електронейтральні комплекси, у яких Ag⁺ координаційно пов’язаний з атомом N3 тиміну або N1 гуаніну, мають найвищу термодинамічну стабільність, тоді як позитивно заряджені комплекси за участі атома N1 аденіну є найменш ста більними. Це узгоджується з експериментально спостереженим витісненням аденіну з подвійної спіралі у металізованій Ag-ДНК. Порівняння обчислювальних методів показало, що функціонал B3LYP у поєднанні з моделлю сольватації SMD забезпечує найбільш достовірний опис комплексів Ag⁺-нуклеотидна основа. Отримані результати є важливими для розуміння структурних особливостей металізованої Ag-ДНК та її потенційного застосування як наноматеріалу.
Посилання
1. H. K. Landenmark, D. H. Forgan, and C. S. Cockell, “An estimate of the total DNA in the biosphere,” PLoS Biol. 13, e1002168 (2015). https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002168
2. P. Zhan, A. Peil, Q. Jiang, D. Wang, S. Mousavi, Q. Xiong, and N. Liu, “Recent advances in DNA origami-engineered nanomaterials and applications,” Chem. Rev. 123, 3976 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00028
3. X. Shi, A. K. Pumm, C. Maffeo, F. Kohler, E. Feigl, W. Zhao, and C. Dekker, “A DNA turbine powered by a transmembrane potential across a nanopore,” Nat. Nanotechnol. 19, 338 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01527-8
4. R. Acharya, S. D. Dutta, H. Mallik, T. V. Patil, K. Ganguly, A. Randhawa, and K. T. Lim, “Physical stimuli-responsive DNA hydrogels: Design, fabrication strategies, and biomedical applications,” J. Nanobiotechnol. 23, 233 (2025). https://doi.org/10.1186/s12951-025-03237-w
5. S. B. Mitta, R. Harpalsinh, J. Kim, H. S. Park, and S. H. Um, “Flexible supercapacitor with a pure DNA gel electrolyte,” Adv. Mater. Interfaces 9, 2200133 (2022). https://doi.org/10.1002/admi.202200133
6. Z. Chen, C. Liu, F. Cao, J. Ren, and X. Qu, “DNA metallization: Principles, methods, structures, and applications,” Chem. Soc. Rev. 47, 4017 (2018). https://doi.org/10.1039/C8CS00011E
7. K. Li, Y. Liu, B. Lou, Y. Tan, L. Chen, and Z. Liu, “DNA-guided metallization of nanomaterials and their biomedical applications,” Molecules 28, 3922 (2023). https://doi.org/10.3390/molecules28093922
8. J. Richter, “Metallization of DNA,” Physica E 16, 157 (2003). https://doi.org/10.1016/S1386-9477(02)00670-7
9. G. A. Burley, J. Gierlich, M. R. Mofid, H. Nir, S. Tal, Y. Eichen, and T. Carell, “Directed DNA metallization,” J. Am. Chem. Soc. 128, 1398 (2006). https://doi.org/10.1021/ja055517v
10. T. Dairaku, K. Nozawa-Kumada, T. Ono, K. Yoshida, Y. Kashiwagi, Y. Tanaka, J. Kondo, and M. Tanabe, “DNA duplex containing Ag+-mediated cytosine–cytosine base pairs as a catalyst precursor for the 4-nitrophenol reduction with NaBH4,” Inorg. Chem. 63, 22845 (2024). https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c03830
11. D. Buceta, N. Busto, G. Barone, J. M. Leal, F. Domínguez, L. J. Giovanetti, F. G. Requejo, B. García, and M. A. López-Quintela, “Ag2 and Ag3 clusters: Synthesis, characterization, and interaction with DNA,” Angew Chem. Int. Ed. 54, 7612 (2015). https://doi.org/10.1002/anie.201502917
12. J. Kondo, Y. Tada, T. Dairaku, Y. Hattori, H. Saneyoshi, A. Ono, and Y. Tanaka, “A metallo-DNA nanowire with uninterrupted one-dimensional silver array,” Nature Chem. 9, 956 (2017). https://doi.org/10.1038/nchem.2808
13. U. Javornik, A. Pérez-Romero, C. López-Chamorro, R. M. Smith, J. A. Dobado, O. Palacios, and M. A. Galindo, “Unveiling the solution structure of a DNA duplex with continuous silver-modified watson–crick base pairs,” Nat. Commun. 15, 7763 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51876-8
14. T. Lenz, U. Javornik, M. Hebenbrock, J. Plavec, and J. Müller, “Determination of silver(I)-binding sites in canonical B-DNA by NMR spectroscopy,” JBIC J. Biol. Inorg. Chem. 30, 381 (2025). https://doi.org/10.1007/s00775-025-02115-y
15. Q. Wan, J. Yang, W. P. To, and C. M. Che, “Strong metal–metal pauli repulsion leads to repulsive metallophilicity in closed-shell d8 and d10 organometallic complexes,” Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2019265118 (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2019265118
16. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, J. A. Montgomery, Jr., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, and J. A. Pople, Gaussian 03, Revision C.02, (Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004).
17. J. Tirado-Rives and W. L. Jorgensen, “Performance of B3LYP density functional methods for a large set of organic molecules,” J. Chem. Theory Comput. 4, 297 (2008). https://doi.org/10.1021/ct700248k
18. M. Walker, A. J. Harvey, A. Sen, and C. E. Dessent, “Performance of M06, M06-2X, and M06-HF density functionals for conformationally flexible anionic clusters: M06 functionals perform better than B3LYP for a model system with dispersion and ionic hydrogen-bonding interactions,” J. Phys. Chem. A 117, 12590 (2013). https://doi.org/10.1021/jp408166m
19. B. P. Pritchard, D. Altarawy, B. Didier, T. D. Gibson, and T. L. Windus, “A New basis Set exchange: An open, up-to-date resource for the molecular sciences community,” J. Chem. Inf. Model. 59, 4814 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00725
20. S. Grimme, S. Ehrlich, and L. Goerigk, “Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory,” J. Comp. Chem. 32, 1456 (2011). https://doi.org/10.1002/jcc.21759
21. B. Mennucci, “Polarizable continuum model,” Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2, 386 (2012). https://doi.org/10.1002/wcms.1086
22. A. V. Marenich, C. J. Cramer, and D. G. Truhlar, “Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions,” J. Phys. Chem. B 113, 6378 (2009). https://doi.org/10.1021/jp810292n
23. R. S. Mulliken, “Electronic population analysis on LCAO–MO molecular wave functions. I,” J. Chem. Phys. 23, 1833 (1955). https://doi.org/10.1063/1.1740588
24. F. Weinhold, and C. R. Landis, “Natural bond orbitals and extensions of localized bonding concepts,” Chem. Educ. Res. Pract. 2, 91 (2001). https://doi.org/10.1039/B1RP90011K
25. T. A. Keith, AIMAll, Version 19.10.12, TK Gristmill Software, Overland Park, KS, USA (2019). https://aim.tkgristmill.com
