Concentrated DNA-amphiphiles Structure, Hydration, and Dynamics

Abstract

The structure, hydration, and dynamics of concentrated DNA-amphiphile complexes were investigated by small-angle X-ray diffraction, sorption calorimetry, and nuclear magnetic resonance. A concentrated, electroneutral, DNA-amphiphile complex can be formed by mixing charge-stoichiometric solutions. The effect is a strong association of DNA with the oppositely charged amphiphile resulting in the formation of a precipitate that contains the DNA-amphiphile aggregate in equilibrium with the aqueous phase to which small counterions are released.



In the complex, DNA and the amphiphilic aggregate acquire new characteristics reflecting the balance between electrostatic attraction, short range repulsion, and hydrophobic interactions. The supramolecular structure of the complexes resembles those of the amphiphilic assemblies per se. 2D hexagonal and lamellar structures can be found. Different systems were investigated in this thesis: DNA-cationic surfactant, DNAlipid mixture, and DNA-cationic surfactant-alcohols.

In comparison to DNA, the amphiphilic aggregate is more responsive with respect to external conditions and upon association changes shape to modulate the electrostatic interactions with DNA. The outcome is a higher degree of disorder in the hydrophobic part of the amphiphiles. Other modulations take place when the amphiphilic aggregate is comprised of charged and uncharged molecules; here a local demixing occurs with the charged molecules preferentially located in the vicinity of the DNA chains. The DNA-amphiphile complex can take up water to a limiting value between 30-40 water molecules per DNA-amphiphile pair. This value increases with the addition of a screening agent. During hydration, the distortion of the amphiphilic aggregate decreases while there is an increase in the rate of conformational changes. Water is rather mobile in the confined DNA-amphiphile assembly even at low water content. The hydration of the complexes can be predicted by a thermodynamic model where water is treated as a medium of constant dielectric permittivity. The existence of a thin layer of water separating the strongly attracted DNA and amphiphile can be explained by a short range repulsive force.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

DNA är en molekyl som finns närvarande i stan alla celler och den innehåller den genetiska koden för utvecklingen av alla former av liv. Molekylen är väldigt tunn (2 nanometer i diameter) och lång - mänskligt DNA skulle vara ca en meter lång i utsträckt tillstånd. Inuti cellerna antar DNA en superkompakt struktur för att få plats inuti en cellkärna med bara ca 10 mikrometer i diameter. Detta sker genom att positivt laddade proteiner binder till DNA, som är starkt negativt laddat, vilket leder till att kompakta aggregat, sk kromosomer, bildas. Även inuti virus finns kompakta former av DNA. Trots att DNA förvaras i en sådan kompakt form måste specifika områden av molekylen vara åtkomlig under cellernas olika arbetsmoment, t ex för att plocka fram informationen om proteinstruktur vid proteintillverkning. Amfifila molekyler, tex tvålar och vissa lipider, består av en del som föredrar att vara i vatten och en som till sin struktur är identisk med olja och följaktligen inte gärna blandar sig med vatten. Den delen av molekylen som föredrar kontakt med vatten kallas ofta den amfifila huvudgruppen, vilken i vissa fall är elektriskt laddad. Den oljelika delen kallas för den amfifila svansen och består av en kolvätekedja. I vatten bildar de olika former av aggregat för att undvika att den oljelika delen av molekylen har kontakt ed vattnet. Beroende på molekylens struktur, t ex svansens storlek, har även aggregaten olika struktur. Ett exempel är små bollar med den oljelika delen undangömd i bollens nre. Ett annat exempel är dubbelskikt med huvudgrupperna i kontakt med vattnet på skiktets båda sidor och den oljelika svansen undanstoppad i skiktets inre. Sådana ubbelskikt utgör det cellmembran som omger alla levande celler. När DNA blandas med motsatt laddade amfifila molekyler leder starka attraktiva krafter till bildandet av kompakta aggregat. Vid en viss koncentration av komponenterna bildas en fällning. Denna består av DNA, amfifil, samt en bestämd mängd vatten. Syntetiska DNA-amfifilaggregat används för närvarande vid genterapi som syftar till att ersätta sjuka gener med friska. Det största problemet är att finna ett sätt att föra in de friska generna i cellen. Vissa DNA-amfifilaggregat har förmågan att göra just detta. En tänkbar mekanism för hur detta sker är att de amfifila molekylerna, vilka till sin struktur liknar beståndsdelarna i cellmembranet, löses upp i detta och därvid frisätter DNA inuti cellen. För att kunna förstå och förutsäga mekanismerna för kompaktion av DNA och överföring av gener vid genterapi är det nödvändigt att undersöka den attraktiva och repulsive växelverkan mellan beståndsdelarna i DNA-aggregaten. Detta gjordes genom att bereda och undersöka enkla DNAaggregat med en eller två typer av amfifila molekyler. Den attraktiva kraften mellan DNA och motsatt laddade molekyler är den huvudsakliga orsaken till bildandet av täta aggregat där beståndsdelarna ligger tätt packade. Även i dessa täta aggregat finns en ansenlig mängd vatten mellan de övriga beståndsdelarna, ca 30-40 vattenmolekyler per DNAamfifilpar. Detta indikerar att DNA och de amfifila molekylerna undviker att vara i extrem närkontakt. När avståndet mellan beståndsdelarna blir tillräckligt kort dominerar repulsiva krafter över de mer långväga attraktiva krafterna. Egenskaperna av DNA-molekylen är svåra att ändra. Däremot reagerar de amfifila aggregaten lätt på de yttre omständigherna, t ex vattenhalt, temperatur, sammansättning, etc. Genom att modifiera de amfifila molekylerna kan egenskaperna av aggregaten med DNA påverkas. Exempelvis bildar amfifila molekyler med endast en svans rörliknande strukturer med huvudgrupperna placerade vid rörets ytteryta medan svansarna finns inuti röret. Tillsammans med DNA bildar dessa rör en bikakestruktur med sextalig symmetri. Amfifila molekyler med två svansar bildar dubbelskikt liknande de som finns i cellmembranen. Tillsammans med DNA bildas en lamellär struktur med alternerande lager av amfifiler och sinsemellan parallella DNAmolekyler. Även andra strukturer kan bildas. Om de amfifila molekylerna har en väldigt lång svans, i jämförelse med storleken på huvudgruppen, bildas en struktur liknande en flaskborste med huvudgrupperna nära den utsträckta DNA-molekylen och svansarna stickande ut från denna. De amfifila aggregaten är väldigt mjuka, vilket leder till att de lätt deformeras för att optimera växelverkan med DNA. Därför är aggregatens geometri ofta annorlunda vid närvaro av DNA i jämförelse med vad de skulle varit utan. När ett amfifilt aggregat består av två olika typer av molekyler, varav en är positivt laddad och en oladdad, finns molekylerna på olika positioner i strukturen. De positivt laddade amfifilerna finns närmare den negativt laddade DNA, medan de oladdade upptar resten av det fria utrymmet.

• author: Leal, Cecilia
• supervisor: Håkan Wennerström
• opponent: Professor Chmelka, Brad, University of California, Santa Barbara
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: amphiphiles, DNA, Physical chemistry, diffusion NMR, solid-state NMR, electrostatics, dynamics, local order, Fysikalisk kemi, hydration
• defense location: Hörsal A Kemicentrum, Getingevägen 60 222100 Lund
• defense date: 2006-09-09 10:15:00
• ISBN: 91-628-6902-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 74d4af4f-d312-435b-9151-e43adf8f6017 (old id 547050)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:24:00
• date last changed: 2018-11-21 20:58:32