[논문 리뷰] Counterion atmosphere around DNA double helix: trapping of counterions at the nanoscale

Sergiy Perepelytsya, Oleksii Zdorevskyi|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 14.

Electrostatics and Colloid Interactions참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이온 농축 이론을 기반으로 한 분석 모델을 개발하여 B-DNA의 틈새에 단가의 반대이온(K+)이 갇히는 것을 예측한다. 그 결과, 인산기준으로 0.16~0.43개의 반대이온이 이중 나선 내부에 갇힌다. 분자 동역학 시뮬레이션은 이 결과를 확인하여, 인산기준으로 0.22 ± 0.06개의 반대이온이 갇힌다고 도출하였으며, 이는 특정 이온-DNA 상호작용으로 인해 틈새 내부에서 반대이온 구름의 밀도가 더 높고 비균일한 분포를 띤다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

DNA is strong polyelectrolyte macromolecule making metal ions (counterions) condense to a cloud around the double helix. The counterions may be localized outside the macromolecule and inside the minor and major grooves of the double helix. In the present work, the distribution of condensed counterions between inner and outer regions of DNA has been studied using the approaches of counterion condensation theory. The results have shown that the number of counterions trapped inside the macromolecule should be greater than 0.16 per one phosphate group. The maximal number of counterions that may be localized inside the DNA double helix is limited to about 0.4 per one phosphate group and it is much lower than the total number of condensed counterions. To analyze the structure of counterion cloud the molecular dynamics simulations of \emph{B}-DNA with K$^{+}$ counterions have been performed. The obtained number of the counterions trapped inside the grooves of the double helix is about 0.22$\pm$0.06 per one phosphate group that agree with the model estimations. The developed model describes general features of the structure of counterion cloud around DNA and is able to predict the number of counterions inside the grooves of the double helix.

연구 동기 및 목표

• DNA 주위의 반대이온 비균일 분포, 특히 틈새 내부와 외부에 갇힌 비율을 이해하기 위해.
• 기본적인 반대이온 농축 이론을 넘어서 DNA 틈새 내에서의 이온 갇힘을 고려한 이론 모델을 개발하기 위해.
• B-DNA에 K+ 반대이온을 포함한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 모델를 검증하기 위해.
• 전체 농축된 반대이온 대비 미소 및 주요 틈새에 국한된 반대이온의 수를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 맨닝의 반대이온 농축 이론을 확장하여 DNA 틈새 내 이온의 갇힘 에너지 항을 도입한다.
• 전기적 및 엔트로피 자유 에너지 기여를 이용해 이중 나선 내외로 농축된 반대이온의 비율에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 전기적 잠재력과 DNA 주위의 이온 분포를 모델링하기 위해 포isson-Boltzmann 프레임워크를 사용한다.
• 수용액을 명시적으로 포함한 B-DNA의 원자 전체 모델링을 기반으로 한 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하여 이온의 체류 시간과 공간 분포를 계산한다.
• 나선축으로부터의 거리와 틈새 특성 영역(미소/주요 틈새)을 기반으로 이온의 국한을 정의한다.
• 모델 예측 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 갇힘 메커니즘을 검증하고 갇힌 반대이온의 범위를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 농축된 반대이온 중 몇 퍼센트가 DNA 이중 나선의 틈새 내부에 갇혀 있는가, 외부의 구름보다 더 많은가?
• RQ2 이온이 DNA 틈새에 갇히는 것을 고려하기 위해 반대이온 농축 이론은 어떻게 수정되어야 하는가?
• RQ3 B-DNA의 틈새 내부에 머무르는 K+ 이온의 인산기준 수는 정량적으로 얼마인가?
• RQ4 이온의 체류 시간과 수화 상태는 DNA 틈새 내 반대이온 국한에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 염기서열(아연-티로신 대비 구아닌-시토신 풍부 영역)은 반대이온 분포에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 DNA 이중 나선 틈새 내부에 인산기준으로 0.16~0.43개의 반대이온이 갇힌다고 예측한다.
• 분자 동역학 시뮬레이션은 평균적으로 인산기준 0.22 ± 0.06개의 K+ 이온이 틈새에 국한된다고 도출하였으며, 이는 모델 예측과 양호한 일치를 보인다.
• 전체 농축된 반대이온(인산기준 0.76개)보다 틈새 내부에 갇힌 반대이온의 수가 현저히 낮아, 비균일한 분포가 있음을 시사한다.
• 미소 틈새에 있는 반대이온은 주요 틈새에 있는 반대이온보다 나선축에 더 가까이 있지만, 두 틈새의 평균 수는 유사하다.
• 아연-티로신 풍부 영역에서는 구아닌-시토신 풍부 영역보다 더 많은 반대이온이 관찰되며, 이는 더 좁은 미소 틈새가 이온 친화도를 높이는 데 기여하기 때문으로 해석된다.
• 시뮬레이션 결과는 반대이온 구름이 외부 영역보다 틈새 내부에서 더 농축되어 있음을 확인하였으며, 이는 이론 모델이 예측한 이온 갇힘 현상을 지지한다.