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

Technische Samenvatting: DFT-gebaseerde conformationele analyse van negatief geladen cytosine-bevattende kunstmatige TNA-nucleotiden

Probleemstelling
Hoewel Threose Nucleic Acid (TNA) een belangrijke kandidaat is voor een prebietisch genetisch polymeer vanwege de structurele eenvoud (een vier-koolstof L-threose suiker) en het vermogen om stabiele hybriden met RNA en DNA te vormen, ontbreken uitgebreide computationele studies naar het conformationele landschap. Eerdere experimentele studies leveren gemiddelde structurele gegevens, maar slagen er niet in de complexiteit van het conformationele evenwicht te vatten dat wordt bezet door TNA-monomeren. Er is specif gezien een behoefte aan begrip over hoe de introductie van een negatieve lading (via een fosfaatgroep) en het specifieke substitutiepatroon van een cytosine-bevattend TNA-monomeer de diversiteit van de furanose-ring en exocyclische groepen beïnvloeden. Deze studie adresseert de kloof in het theoretische begrip van negatief geladen TNA-monomeren, waarbij ze worden vergeleken met eerder bestudeerde neutrale derivaten.

Methodologie
De auteurs voerden een uitgebreide computationele studie uit op een negatief geladen TNA-monomeen bestaande uit een $\alpha$-L-threofuranose suiker, een cytosine-base op de C1'-positie, en een methoxyfosfaatgroep op de C3'-positie. De studie maakte gebruik van Density Functional Theory (DFT) op meerdere theoretische niveaus om robuustheid te garanderen:

• Gasfase: Structuren werden vooraf geoptimaliseerd op het HF/6-31G* niveau, gevolgd door volledige optimalisatie bij B3LYP/6-31+G**, B3LYP/6-311++G**, en M062X/6-31+G**. Single-point energieberekeningen werden uitgevoerd op het MP2/aug-cc-pVDZ//B3LYP/6-311++G** niveau om de DFT-resultaten te benchmarken.
• Aqueous fase (Waterige fase): Om een biologische omgeving te modelleren, werden de gasfase-minima opnieuw geoptimaliseerd met behulp van het SMD-solvatiemodel op het M062X/6-31+G** niveau.
• Analyse: De studie maakte gebruik van Natural Bond Orbital (NBO) en Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) analyses om intramoleculaire interacties, specifelijk waterstofbruggen, te karakteriseren. Conformationele voorkeuren werden geanalyseerd met behulp van het Altona en Sundaralingam (AS) pseudorotatiesysteem om de vorm van de furanose-ring te definiëren (fasehoek $P$ en puckering amplitude $\nu_m$).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Methodologische Evaluatie:
   De studie vergeleken de prestaties van de B3LYP- en M062X-functionalen tegenover MP2-benchmarks. De auteurs stelden vast dat de M062X-functionaal een kwalitatief en kwantitatief betere beschrijving gaf van de conformationele energieën van deze anionische vormen vergeleken met B3LYP. M062X-resultaten vertoonden minder spreiding en een betere correlatie met de MP2-data, met name in het laag-energetische gebied, terwijl B3LYP de energieën voor de meeste rotameren de neiging had te overschatten.

2. Gasfase Conformationeel Landschap:

• B3LYP Resultaten: Identificeerde Conformer 3 als het globale minimum, dat het evenwichtspercentage domineert (>95%). Deze conformer kenmerkt zich door een high-anti base oriëntatie, een ap 2'-OH groep, en een -sc fosfaatresidue. De furanose-ring neemt een 2T1 conformatie aan ($P = 138,1^\circ$). Deze wordt gestabiliseerd door een relatief sterke intramoleculaire waterstofbrug tussen de fosfaatzuurstof en de 2'-OH waterstof.
• M062X Resultaten: Onthulde een complexer, multi-component evenwicht. Conformer 1 werd geïdentificeerd als het globale minimum, bestaande uit meer dan 50% van het mengsel, met Conformer 3 aanwezig op ~27%. Conformer 1 kenmerkt zich door een anti base oriëntatie, een +sc 2'-OH groep, en een ap fosfaatresidue. De furanose-ring neemt een 3E conformatie aan ($P = 14,1^\circ$), gelegen in het noordoostelijke gebied van het pseudorotatiewiel (kenmerkend voor A-vormig DNA).
• Stabilisatie: NBO- en QTAIM-analyses gaven aan dat Conformer 1 wordt gestabiliseerd door twee tot drie relatief zwakke onjuiste (improper) waterstofbruggen. In contrast hiermee wordt Conformer 3 gestabiliseerd door twee interacties, waarvan één een sterke, gedeeltelijk covalente waterstofbrug is.

3. Effecten van de Aqueous Omgeving:
   De overgang naar een waterige omgeving (SMD-model) veroorzaakte een dramatische verschuiving in de conformationele stabiliteit, een fenomeen dat niet werd waargenomen in eerder bestudeerde neutrale TNA-systemen.

• Conformer 12 kwam naar voren als het globale minimum in water, goed voor 65,14% van het evenwichtspopulatie.
• Opvallend genoeg wordt Conformer 12 niet gestabiliseerd door de intramoleculaire waterstofbruggen die Conformer 1 in de gasfase stabiliseerden. De verschuiving wordt gedreven door de rotatie van het fosfaatresidue (verandering van de $\gamma$ torsiehoek van ~165° in gasfase Conformer 1 naar ~-68° in Conformer 12), wat de intramoleculaire interacties verbreekt maar solvatatie bevordert.
• De voorheen dominante gasfase-conformers (1 en 3) zagen hun populaties in water significant dalen (naar respectievelijk <5% en ~2,6%).

Significantie
Het artikel beweert dat de aanwezigheid van een negatieve lading de conformationele voorkeuren van TNA-monomeren aanzienlijk verandert vergeleken met hun neutrale tegenhangers. De studie benadrukt dat:

• De keuze van de computationele functionaal (M062X vs. B3LYP) cruciaal is voor het accuraat voorspellen van het conformationele evenwicht van geladen nucleïnezuur-analogen.
• Solvatië-effecten diepgaand zijn voor geladen TNA-monomeren, in staat om de stabiliteitsvolgorde van conformers gevonden in de gasfase volledig om te keren.
• De meest stabiele conformatie in een waterige omgeving (Conformer 12) de intramoleculaire waterstofbindingsnetwerken mist die de gasfase-minima stabiliseerden, wat suggereert dat oplosmiddelinteracties een dominante rol spelen bij het bepalen van de structuur van TNA in biologische contexten.

Deze bevindingen bieden een theoretische basis voor het begrijpen van het structurele gedrag van TNA, wat essentieel is voor het verhelderen van de potentie ervan voor de oorsprong van het leven en de toepassing ervan in biotechnologie (bijv. aptameren en antisense-therapie). De studie benadrukt dat gedetailleerde kennis van conformationele voorkeuren een vereiste is voor het begrijpen van de structuur-activiteitsrelaties van deze kunstmatige nucleïnezuren.