[論文レビュー] Binding Group of Oligonucleotides on TiO 2 Surfaces: Phosphate Anions or Nucleobases?

F. Soria, Cristiana Di Valentin|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 59被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、分散補正を施したハイブリッドDFT（B3LYP-D*）を用いて、アナターゼTiO2(101)上におけるオligonucleotideの吸着を調査した。その結果、リン酸アニオンとヌクレオベースが共同してヌクレオチドを表面に固定していることが明らかになった。ゲノシン含有ヌクレオチドは最も強い吸着を示し（最大−3.37 eV）、水分子との競合解析からも、ヌクレオチドは水よりも強く吸着していることが示され、水溶液中でも安定であることが示された。

ABSTRACT

Although the immobilization of oligonucleotides (nucleic acid) on mineral surfaces is at the basis of different biotechnological applications, an atomistic understanding of the interaction of the nucleic acid components with the titanium dioxide surfaces has not yet been achieved. Here, the adsorption of the phosphate anion, of the four DNA bases (adenine, guanine, thymine, and cytosine) and of some entire nucleotides and dinucleotides on the TiO 2 anatase (101) surface is studied through dispersion-corrected hybrid density functional theory (DFT) calculations. Several adsorption configurations are identified for the separated entities (phosphate anion or base) and then considered when studying the adsorption of the entire nucleotides. The analysis shows that both the phosphate anion and each base may anchor the nucleotides to the surface in a collaborative and synergistic adsorption mode. The tendency is that the nucleotides containing the guanine base present the strongest adsorption while those made up with the thymine base have the lowest adsorption energies. Nucleotides based on adenine and cytosine have a similar intermediate behavior. Finally, we investigated the adsorption of competing water molecules to understand whether in the presence of the aqueous solvent, the nucleotides would remain bonded to the surface or desorb.

研究の動機と目的

• オリゴヌクレオチドがアナターゼTiO2(101)表面にどのように原子スケールで結合するかを特定すること。
• ヌクレオチドの吸着において、リン酸アニオンとヌクレオベースのどちらが主なアンカー基であるかを明確にすること。
• 水分子の吸着エネルギーと比較することで、吸着したヌクレオチドが水溶液環境でも安定であるかどうかを評価すること。
• ヌクレオベースの種別（A, G, C, T）が吸着強さおよび配置に与える影響を評価すること。

提案手法

• 幾何最適化およびエネルギー計算に、ガウス型軌道を用いた分散補正を施したハイブリッドDFT（B3LYP-D*）をCRYSTAL14で採用した。
• 底面を固定した3層のトリアトミック超格子（2×4または2×6）モデルを用いて、アナターゼTiO2(101)の表面をモデル化した。
• 吸着エネルギーを Eads = (Eslab+nmol − Eslab − nEmol)/nmol として定義し、結合強さを定量的に評価した。
• 孤立したリン酸アニオン、ヌクレオベース、ヌクレオチド、およびジヌクレオチドがTi5cサイトに吸着する際の吸着モードを体系的に調査した。
• 競合的安定性の評価のため、0.25および1.0モノレイヤーの水分子吸着エネルギーを計算した。
• 吸着後の電子構造の変化を評価するため、HOMO-LUMOギャップを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiO2(101)表面におけるヌクレオチドの主なアンカー基は、リン酸アニオンかヌクレオベースのどちらか？
• RQ2 ヌクレオベースの種別（A, G, C, T）が、ヌクレオチドの吸着エネルギーおよび配置にどのように影響を与えるか？
• RQ3 水溶液中において、ヌクレオチドはTiO2表面に安定して吸着し続けることができるか、それとも水分子に競合されるか？
• RQ4 リン酸基とヌクレオベースが表面に共同で吸着するメカニズムの本質は何か？
• RQ5 ヌクレオチドの吸着によって、TiO2の光学的性質はどのように変化するか？

主な発見

• リン酸アニオンはビデンテート配置で最も安定に結合（−2.01 eV）、最も安定なモノデンテート形は−1.02 eVであった。
• ゲノシン由来ヌクレオチド（dGMP）は−3.37 eVと最も強い吸着エネルギーを示し、アデニン（−2.61 eV）、シトシン（−2.62 eV）、チミン（−2.04 eV）の順に弱くなった。
• ヌクレオチドの吸着は、リン酸基とヌクレオベースが同時にTi5cサイトに結合する共同吸着メカニズムによって起こり、吸着エネルギーは個々の成分の合計に近い値を示した。
• 水分子の吸着エネルギーは、低濃度（0.25 ML）で−0.95 eV、完全被覆（1.0 ML）で−0.90 eVであり、多数のヌクレオチドよりも弱い結合を示した。
• DOWN配置のジヌクレオチドでは、Ti5cサイトあたりの吸着エネルギーは−1.15〜−1.36 eVの範囲にあり、水分子の−0.90 eVよりも高い値を示し、脱吸に対する耐性があることが示唆された。
• 吸着したジヌクレオチドを有するTiO2のHOMO-LUMOギャップは2.19〜2.87 eVであり、純粋なTiO2のバンドギャップ（4.26 eV）と比較して顕著な赤シフトを示した。