A QM:MM model for the interaction of DNA nucleotides with carbon nanotubes

文献情報

出版日 2015-02-24
DOI 10.1039/C4CP05222F
インパクトファクター 3.676
著者

Morteza Chehel Amirani, Tian Tang


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要旨

Hybrid materials formed by DNA and carbon nanotubes (CNTs) have shown very interesting properties, but their simulation in solution using quantum mechanical approaches is still a challenge in the computational chemistry community. In this paper, we developed a QM:MM model to study the interactions between charged DNA nucleotides and carbon nanotubes in solution. All four types of DNA nucleotides were taken to interact with two CNTs of similar diameter but different chiralities: (4,4) and (7,0). The nucleotides and CNTs were treated at the QM level, while added water and neutralizing ions were modeled at the MM level. ONIOM simulations were performed at the (M06-2X/6-31G(d):Amber) level for the hybrids, as well as for individually solvated CNTs and nucleotides, which allowed us to evaluate the energy of binding. Our binding energy (BE) values range from 146.60 to 503.43 kJ mol−1, indicating strong physisorption of nucleotides on CNTs. The relatively large BE, compared with past studies on nucleobase–CNT binding in a vacuum, could be due to the larger size of nucleotides compared with nucleobases, the charges on the nucleotides, and the inclusion of solution which causes the release of water molecules upon hybridization.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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