Molecular dynamics simulations of alkaline earth metal ions binding to DNA reveal ion size and hydration effects

文献情報

出版日 2020-02-20
DOI 10.1039/C9CP06844A
インパクトファクター 3.676
著者

Makenzie Provorse Long, Serra Alland, Madison E. Martin, Christine M. Isborn


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要旨

The identity of metal ions surrounding DNA is key to its biological function and materials applications. In this work, we compare atomistic molecular dynamics simulations of double strand DNA (dsDNA) with four alkaline earth metal ions (Mg2+, Ca2+, Sr2+, and Ba2+) to elucidate the physical interactions that govern DNA–ion binding. Simulations accurately model the ion–phosphate distance of Mg2+ and reproduce ion counting experiments for Ca2+, Sr2+, and Ba2+. Our analysis shows that alkaline earth metal ions prefer to bind at the phosphate backbone compared to the major groove and negligible binding occurs in the minor groove. Larger alkaline earth metal ions with variable first solvation shells (Ca2+, Sr2+, and Ba2+) show both direct and indirect binding, where indirect binding increases with ion size. Mg2+ does not fit this trend because the strength of its first solvation shell predicts indirect binding only. Ions bound to the phosphate backbone form fewer contacts per ion compared to the major groove. Within the major groove, metal ions preferentially bind to guanine–cystosine base pairs and form simultaneous contacts with the N7 and O6 atoms of guanine. Overall, we find that the interplay among ion size, DNA–ion interaction, and the size and flexibility of the first solvation shell are key to predicting how alkaline earth metal ions interact with DNA.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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