Riassunto analitico
La molecola di DNA è stata al centro di una vasta attività di ricerca negli ultimi anni, sia per quello che riguarda lo studio della molecola in sè stessa, a causa del suo ruolo centrale nello sviluppo delle forme di vita e delle sue possibili applicazioni in campo medico e biologico, sia per quello che riguarda le sue applicazioni nelle nanotecnologie. In questo campo alcune delle sue particolari proprietà, come ad esempio l'appaiamento delle basi, la rendono di grande utilità nella creazione di nuovi dispositivi elettronici, e molti studi sono stati rivolti alla misura delle sue capacità come conduttore di carica. Un passo fondamentale nella direzione di questo obiettivo è la comprensione dell'interazione tra il DNA e le superfici metalliche, che risulta fondamentale nella costruzione di nuovi dispositivi basati su componenti organiche e inorganiche. Putroppo, si tratta di un'interazione che risulta difficile da studiare sia da un punto di vista sperimentale che computazionale, e molti sforzi sono ancora necessari. Il metodo computazionale più adatto per studiare l'assorbimento di una molecola di DNA su una superficie sarebbe la dinamica molecolare classica. Purtroppo, i force field necessari per questo scopo sono spesso inadatti per trattare un sistema simile: in molti casi l'effetto di polarizzazione della superficie non è descritto e lo stesso si può dire per gli effetti di chemiassorbimento. D'altra parte i force fields in grado di tenere conto di questi effetti risultano troppo computazionalmente dispendiosi per un sistema di queste dimensioni. Per questo motivo abbiamo deciso di adottare un approccio che ha già dato risultati positivi nella descrizione dell'assorbimento di proteine su superfici di oro, basato su calcoli ab-initio, di dinamica molecolare classica e di docking. Abbiamo quindi effettuato conti ab-initio Density Functional Theory (DFT) per le quattro nucleobasi assorbite con dieverse orientazioni e su diversi siti su una superficie di Au(111), includendo l'interazione di vdW nei calcoli. Ogni sistema è stato caratterizzato completamente, e sono stati riportati l'energia di assorbimento e i dettagli sulla struttura elettronica. Si è verificato che l'interazione di vdW è fondamentale nella corretta descrizione del sistema, ma che nonostante questo l'assorbimento non è conseguenza di sole forze di dispersione. Infatti è stata rilevata anche un'interazione a corto raggio, con la formazione di orbitali ibridi e di legame tra la molecola e la superficie. I risultati ottenuti hanno permesso la parametrizzazione di un FF capace di riprodurre energie e geometrie di assorbimento dei calcoli DFT. Il force field è stato poi validato confrontando conti di dinamica molecolare classica, DFT e esperimenti sull'assorbimento di monolayer di guanina e adenina in vuoto su Au(111). Infine, è stato portato avanti uno studio sull'assorbimento delle quattro basi su oro Au(111) in soluzione. I risultati emersi sono molto interessanti, e hanno dimostrato come il passaggio da un sistema in vuoto a uno in soluzione faccia sì che l'assorbimento passi dall'essere dominato dall'entalpia a dipendere fortemente da un contributo entropico. Infine sono stati realizzati dei conti di docking su molecole poly(dC)-poly(dG) e poly(dA)-poly(dT), trasferendo i parametri per l'interazione di dispersione dal force field al software di docking. Sono emerse due configurazioni possibili per l'assorbimento, con la molecola orientata parallelamente alla superficie o inclinata rispetto ad essa. L'interazione della basi interne all'elica con la superficie influenza le geometrie di assorbimento nonostante la presenza del backbone e della forte interazione elettrostatica tra di esso e l'oro. Le configurazioni trovate possono risultare utili come configurazioni di partenza per simulazioni di dinamica molecolare classica dove la molecola sia lasciata libera di rilassarsi compleatmente.
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Abstract
In the past years many efforts have been addressed to the study of DNA, both as subject of research
itself, because of the main role it has in the development of life and in the understanding of many bio-
physical and medical processes, and for all the possible nano-electronic applications where its peculiar
properties would be of great usage in the creation of new devices.
Its ability to create long wires through a self assembling mechanism makes it a fascinating candidate for
charge transport in nano-devices, and many studies have been devoted to obtain informations about its
capabilities as a charge conductor.
The comprehension of DNA interaction with hard substrates is a fundamental step in this process,
as the construction of bio-devices is totally dependent from the mechanism that develops at the organic/inorganic interface. Nevertheless the understanding of DNA behavior interacting with surfaces is
a challenging topic both from the experimental and theoretical point of view, and a big effort is still
needed in this direction.
Classical molecular dynamics (MD) would be in principle the method of choice for the study of the interaction between DNA and surfaces, but available force fields are not suitable for the description of such a system: often they miss to describe surface polarization effects or weak chemisorption effects, that are both fundamental in the treatment of DNA on metals; alternatively, they are too computationally expensive for the simulation of an entire DNA oligomer adsorbed on a surface.
For this reason we adopted a multi-step approach based on ab-initio, molecular dynamics and docking calculations, that already gave good results on the study of proteins adsorbed on gold.
Ab-initio Density Functional Theory (DFT) calculations are performed for the four nucleobases on the Au(111) surface, in different adsorption geometries and adsorption sites, including vdW interaction into the calculations. Results on the energetics and
the electronic structure are presented, with the aim of developing a force field that
will enable classical simulations of DNA on Au(111). We fully characterize each system at the individual level. We find that van der Waals interactions are crucial for a correct description of the geometry and energetics.
However, the mechanism of adsorption is well beyond pure dispersion interactions. Indeed, we find charge sharing between the
substrate and the adsorbate, the formation of hybrid orbitals, and even bonding orbitals.
Thanks to DFT results we were able to parametrize a FF reproducing ab-initio adsorption geometries and energies. The FF is validated through the comparison of the results obtained on guanine and adenine monolayers adsorbed on Au(111) in vacuo with DFT calculations and experimental results of the same systems.
Than we moved to the study of single nucleobases adsorbed on Au(111) in aqueous conditions. The energetics of
nucleobases on Au(111) in solution reveal fundamental physico-chemical effects: comparing adsorption energy and free energy calculations we found that
the adsorption paradigm shifts from a purely enthalpic factor (obtained in vacuo) to a dominantly entropic factor
by changing the environment and aggregation phase.
Finally, docking calculations of poly(dC)-poly(dG) and poly(dA)-poly(dT) on Au(111) are performed, thanks to the inclusion in the docking software of dispersion interactions as parametrized in the classical force field. Docking calculations allow to find two interesting adsorption geometries, with the biomolecule parallel or tilted with respect to the surface, that point out the different interaction between the four nucleobases inside the double helix and the surface, significative despite the strong electrostatic interaction of the backbone. These configurations are suitable as starting configuration for further MD calculations.
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