Molecular dynamics simulation study on the interactions between DNA and a conjugated polyelectrolyte (Cationic oligothiophene)

Abstract

The absorption spectra of the cationic polythiophenes shift to the red, or the color changes in the solution are visible to the naked eye, when single-strand DNA (ssDNA) is added, so that they can be used as a tool for DNA detection, theranostic applications, and biological sensors. The red shift or color change is explained by the fact that the ssDNA leads to conformational changes in the polythiophene, but the form of structural change remains to be elusive (i.e. flattening, twisting, stacking, etc.). In this study, molecular dynamics (MD) simulations of complexes consisted by ssDNA sequences with different nucleotides and polythiophene containing cationic side group were performed to enlighten the experimental studies. For this purpose, force field parameters of polythiophene which are not present in the current databases, were generated. The interactions between them were analyzed to determine the nature of conformational changes in the polythiophene when ssDNA was added. MD simulations has been carried out with the CHARMM-compatible force field parameters obtained in the content of this work. Radius of gyration of oligomer increases with addition of ssDNA but is more affected by homopurine strand. Planarity index gets larger upon complexation with homopurine and T_rich strand, does not change with others. H-O and electrostatic interactions which are almost doubled in nonplanar complexes can be interpreted as the major sources of conformational changes in oligomer. Considering all types of interactions between atoms in duplexes, it was observed that planarity was high in structures with less interaction of oligomer side groups.

Katyonik politiyofenlerin absorpsiyon spektrumları, tek sarmallı DNA zinciri (ssDNA) eklendiğinde, kırmızı bölgeye kayar veya çözeltideki renk değişiklikleri çıplak gözle görülebilir, böylece DNA tespiti, teranostik uygulamaları ve biyolojik sensörler için bir araç olarak kullanılabilirler. Kırmızı bölgeye kayma ya da renk değişimi, ssDNA'nın politiyofende konformasyonel değişikliklere yol açtığı, ancak yapısal değişiklik biçiminin açıkça bilinmediği (örneğin düzleştirme, büküm, istifleme, vs.) şeklinde açıklanmaktadır. Bu çalışmada, deneysel çalışmaları aydınlatmak amacıyla, farklı nükleotitlere sahip ssDNA dizileri ve katyonik yan grup içeren politiyofen komplekslerin moleküler dinamik (MD) simülasyonları yapılmıştır. Bu amaçla, mevcut veritabanlarında bulunmayan politiyofenin kuvvet alanı parametreleri üretilmiştir. Aralarındaki etkileşimler, ssDNA eklendiğinde politiyofendeki konformasyonel değişikliklerin doğasını belirlemek için analiz edilmiştir. MD simülasyonlar bu çalışmanın içeriğinde elde edilen CHARMM uyumlu kuvvet alanı parametreleri ile gerçekleştirilmiştir. Oligomerin dönme yarıçapı (radius of gyration), ssDNA ilavesiyle artar, ancak homopürin sarmalından daha çok etkilenir. Düzlemsellik indeksi, homopürin ve T_rich sarmalları ile kompleksleşince büyür, diğerleri ile değişmez. Düzlemsel olmayan komplekslerde neredeyse iki katına çıkan elektrostatik ve H-O etkileşimler, oligomerlerdeki başlıca konformasyonel değişiklik kaynakları olarak yorumlanabilir. Dublekslerdeki atomlar arasındaki tüm etkileşimler göz önüne alındığında, tiyofenin yan gruplarıyla daha az etkileşmeye sahip yapılarda düzlemselliğin yüksek olduğu gözlenmiştir.