[논문 리뷰] Binding Group of Oligonucleotides on TiO 2 Surfaces: Phosphate Anions or Nucleobases?

F. Soria, Cristiana Di Valentin|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques참고 문헌 59인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 산란 보정이 된 하이브리드 DFT(B3LYP-D*)를 사용하여 안atase TiO2(101) 상면에 올리고뉴클레오티드가 흡착되는 것을 조사하여, 인산 음이온과 뉴클레오베이스가 뉴클레오티드를 표면에 함께 고정시킨다는 것을 밝혀냈다. 구아닌 기반 뉴클레오티드는 가장 강한 흡착을 보이며(최대 −3.37 eV), 수분 경쟁 분석 결과 뉴클레오티드는 수분보다 더 강하게 흡착됨을 확인하여 수용성 환경에서도 안정성을 확보함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 올리고뉴클레오티드가 anatase TiO2(101) 표면에 원자 척도에서 어떻게 결합하는지 규명하기 위해.
• 뉴클레오티드 흡착 과정에서 인산 음이온과 뉴클레오베이스 중 어느 것이 주요 고정 기능기인지 명확히 하기 위해.
• 수분과의 경쟁을 통해 수용성 환경에서 흡착된 뉴클레오티드의 안정성을 평가하기 위해.
• 뉴클레오베이스의 종류(A, G, C, T)가 흡착 강도와 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 기하구조 최적화 및 에너지 계산에 CRYSTAL14를 사용하여 고전적 오비탈을 사용한 산란 보정이 된 하이브리드 DFT(B3LYP-D*)를 적용함.
• 하나의 표면에 대해 2×4 또는 2×6 슈퍼셀 모델을 사용하고, 세 개의 삼원자 층을 포함하며, 하부 층은 고정함.
• 흡착 에너지를 Eads = (Eslab+nmol − Eslab − nEmol)/nmol로 정의하여 결합 강도를 정량화함.
• 고립된 인산 음이온, 뉴클레오베이스, 뉴클레오티드, 이뉴클레오티드가 Ti5c 위치에 흡착되는 방식을 체계적으로 탐색함.
• 경쟁적 안정성 평가를 위해 0.25 및 1.0 몰층 표면에 수분의 흡착 에너지를 계산함.
• 흡착 후 HOMO-LUMO 갭을 분석하여 전자 구조 변화를 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiO2(101) 표면에서 뉴클레오티드의 주요 고정 기능기는 인산 음이온인지 뉴클레오베이스인지?
• RQ2 뉴클레오베이스의 종류(A, G, C, T)가 뉴클레오티드의 흡착 에너지와 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 뉴클레오티드는 수용성 환경에서 TiO2에 흡착된 채로 유지될 수 있는가, 아니면 수분이 그들을 대체하는가?
• RQ4 표면에서 인산기와 뉴클레오베이스 기능기가 함께 작용하는 공동 흡착 메커니즘의 특성은 무엇인가?
• RQ5 뉴클레오티드 흡착으로 인해 TiO2의 광학적 성질은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 인산 음이온은 이중좌절 구조에서 가장 안정하게 결합하며(−2.01 eV), 가장 안정한 단일좌절 형태는 −1.02 eV임.
• 구아닌 기반 뉴클레오티드(dGMP)는 −3.37 eV로 가장 강한 흡착 에너지를 보이며, 아연틴(−2.61 eV), 시토신(−2.62 eV), 티민(−2.04 eV)의 순서로 이어짐.
• 뉴클레오티드의 흡착은 인산기와 뉴클레오베이스가 동시에 Ti5c 위치에 결합하는 공동 메커니즘을 통해 발생하며, 이로 인한 흡착 에너지는 개별 성분의 에너지 합과 유사함.
• 낮은 밀도(0.25 몰층)와 완전한 밀도(1.0 몰층)에서 수분의 흡착 에너지는 각각 −0.95 eV 및 −0.90 eV로, 대부분의 뉴클레오티드보다 약한 결합을 나타냄.
• DOWN 구형의 이뉴클레오티드의 경우, Ti5c 기준 단위 표면에서 흡착 에너지는 −1.15에서 −1.36 eV 범위이며, 수분의 −0.90 eV보다 높아 탈착에 대한 저항력이 있음.
• 흡착된 이뉴클레오티드를 가진 TiO2의 HOMO-LUMO 갭은 2.19에서 2.87 eV 범위이며, 순수한 TiO2의 밴드 갭(4.26 eV)에 비해 상당한 적색 이동을 보임.