DFT-based conformational analysis of negatively-charged cytosine-containing artificial Threose Nucleic Acid (TNA) nucleotides

Resumen Técnico: Análisis Conformacional basado en DFT de Nucleótidos de TNA con Contenido de Citosina con Carga Negativa

Planteamiento del Problema
Aunque el Ácido Trreosa (TNA) es un candidato principal para ser un polímero genético prebiótico debido a su simplicidad estructural (un azúcar de L-treosa de cuatro carbonos) y su capacidad para formar híbridos estables con ARN y ADN, han faltado estudios computacionales exhaustivos sobre su paisaje conformacional. Los estudios experimentales previos proporcionan datos estructurales promediados, pero no logran capturar la complejidad del equilibrio conformacional que puebla los monómeros de TNA. Específicamente, existe la necesidad de comprender cómo la introducción de una carga negativa (mediante un grupo fosfato) y el patrón de sustitución específico de un monómero de TNA que contiene citosina influyen en la diversidad conformacional del anillo de furano y de los grupos exocíclicos. Este estudio aborda la brece en la comprensión teórica de los monómeros de TNA con carga negativa, comparándolos con derivados neutros estudiados previamente.

Metodología
Los autores realizaron un estudio computacional exhaustivo sobre un monómero de TNA con carga negativa que presenta un azúcar $\alpha$-L-treofuranosa, una base citosina en la posición C1' y un grupo metoxifosfato en la posición C3'. El estudio empleó la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) a múltiples niveles de teoría para asegurar la robustez:

• Fase Gaseosa: Las estructuras se pre-optimizaron al nivel HF/6-31G*, seguidas de una optimización completa en B3LYP/6-31+G**, B3LYP/6-311++G** y M062X/6-31+G**. Se realizaron cálculos de energía de un solo punto al nivel MP2/aug-cc-pVDZ//B3LYP/6-311++G** para evaluar los resultados de DFT.
• Fase Acuosa: Para modelar un entorno biológico, los mínimos de la fase gaseosa se re-optimizaron utilizando el modelo de solvación SMD al nivel M062X/6-31+G**.
• Análisis: El estudio utilizó análisis de Orbitales Naturales de Enlace (NBO) y de la Teoría Cuántica de Átomos en Moléculas (QTAIM) para caracterizar las interacciones intramoleculares, específicamente los enlaces de hidrógeno. Las preferencias conformacionales se analizaron utilizando el sistema de pseudorotación de Altona y Sundaralingam (AS) para definir la forma del anillo de furano (ángulo de fase $P$ y amplitud de pandeo $\nu_m$).

Contribuciones Clave y Resultados

1. Evaluación Metodológica:
   El estudio comparó el desempeño de los funcionales B3LYP y M062X frente a los puntos de referencia MP2. Los autores encontraron que el funcional M062X proporcionó una descripción cualitativa y cuantitativamente mejor de las energías conformacionales para estas formas aniónicas en comparación con B3LYP. Los resultados de M062X mostraron menos dispersión y una mejor correlación con los datos de MP2, particularmente en la región de baja energía, mientras que B3LYP tendió a sobreestimar las energías para la mayoría de los rotámeros.

2. Paisaje Conformacional en Fase Gaseosa:

• Resultados de B3LYP: Identificó al Confórmero 3 como el mínimo global, dominando la mezcla de equilibrio (>95%). Este confórmero presenta una orientación de la base high-anti, un grupo 2'-OH ap y un residuo de fosfato -sc. El anillo de furano adopta una conformación 2T1 ($P = 138.1^\circ$). Está estabilizado por un enlace de hidrógeno intramolecular relativamente fuerte entre el oxígeno del fosfato y el hidrógeno del 2'-OH.
• Resultados de M062X: Reveló un equilibrio más complejo y de múltiples componentes. El Confórmero 1 fue identificado como el mínimo global, comprendiendo más del 50% de la mezcla, con el Confórmero 3 presente en aproximadamente un 27%. El Confómero 1 presenta una orientación de la base anti, un 2'-OH +sc y un fosfato ap. Su anillo de furano adopta una conformación 3E ($P = 14.1^\circ$), ubicada en la región noreste de la rueda de pseudorotación (característica del ADN de tipo A).
• Estabilización: Los análisis NBO y QTAIM indicaron que el Confómero 1 está estabilizado por dos a tres enlaces de hidrógeno impropios relativamente débiles. En contraste, el Confómero 3 está estabilizado por dos interacciones, una de las cuales es un enlace de hidrógeno fuerte y parcialmente covalente.

3. Efectos del Entorno Acuoso:
   La transición a un entorno acuoso (modelo SMD) causó un cambio drástico en la estabilidad conformacional, un fenómeno no observado en los sistemas de TNA no cargados estudiados anteriormente.

• El Confórmero 12 emergió como el mínimo global en agua, representando el 65.14% de la población de equilibrio.
• Notablemente, el Confómero 12 no está estabilizado por los enlaces de hidrógeno intramoleculares que estabilizaron al Confómero 1 en la fase gaseosa. El cambio es impulsado por la rotación del residuo de fosfato (cambio en el ángulo de torsión $\gamma$ de ~165° en el Confómero 1 de fase gaseosa a ~-68° en el Confómero 12), lo que rompe las interacciones intramoleculares pero favorece la solvatación.
• Los confómeros previamente dominantes en fase gaseosa (1 y 3) vieron sus poblaciones disminuir significativamente en agua (a <5% y ~2.6%, respectivamente).

Significancia
El artículo afirma que la presencia de una carga negativa altera significativamente las preferencias conformacionales de los monómeros de TNA en comparación con sus contrapartes neutras. El estudio destaca que:

• La elección del funcional computacional (M062X vs. B3LYP) es crítica para predecir con precisión el equilibrio conformacional de los análogos de ácidos nucleicos cargados.
• Los efectos de solvatación son profundos para los monómeros de TNA cargados, capaces de revertir completamente el orden de estabilidad de los confómeros encontrados en la fase gaseosa.
• La conformación más estable en un entorno acuoso (Confómero 12) carece de la red de enlaces de hidrógeno intramoleculares vista en los mínimos de la fase gaseosa, lo que sugiere que las interacciones con el solvente juegan un papel dominante en la determinación de la estructura de la TNA en contextos biológicos.

Estos hallazgos proporcionan una base teórica para comprender el comportamiento estructural de la TNA, lo cual es esencial para dilucidar su potencial papel en el origen de la vida y su aplicación en biotecnología (por ejemplo, aptámeros y fármacos antisense). El estudio enfatiza que el conocimiento detallado de las preferencias conformacionales es un prerrequisito para comprender las relaciones estructura-actividad de estos ácidos nucleicos artificiales.