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

Resumo Técnico: Análise Conformacional de Nucleotídeos de TNA Contendo Citosina com Carga Negativa Baseada em DFT

Definição do Problema
Embora o Ácido Treose Nucleico (TNA) seja um principal candidato a polímero genético pré-biótico devido à sua simplicidade estrutural (um açúcar L-treofuranose de quatro carbonos) e capacidade de formar híbridos estáveis com RNA e DNA, estudos computacionais abrangentes sobre seu panorama conformacional têm sido escassos. Estudos experimentais anteriores fornecem dados estruturais médios, mas falham em capturar a complexidade do equilíbrio conformacional povoado pelos monômeros de TNA. Especificamente, há uma necessidade de compreender como a introdução de uma carga negativa (via um grupo fosfato) e o padrão de substituição específico de um monômero de TNA contendo citosina influenciam a diversidade conformacional do anel furanose e dos grupos exocíclicos. Este estudo aborda a lacuna no entendimento teórico de monômeros de TNA carregados negativamente, comparando-os com derivados neutros previamente estudados.

Metodologia
Os autores realizaram um estudo computacional abrangente em um monômero de TNA carregado negativamente apresentando um açúcar $\alpha$-L-treofuranose, uma base citosina na posição C1' e um grupo metoxifosfato na posição C3'. O estudo empregou a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) em múltiplos níveis de teoria para garantir robustez:

• Fase Gasosa: As estruturas foram pré-otimizadas no nível HF/6-31G*, seguidas de otimização completa em B3LYP/6-31+G**, B3LYP/6-311++G** e M062X/6-31+G**. Cálculos de energia de ponto único foram realizados no nível MP2/aug-cc-pVDZ//B3LYP/6-311++G** para realizar o benchmarking dos resultados de DFT.
• Fase Aquosa: Para modelar um ambiente biológico, os mínimos da fase gasosa foram reotimizados usando o modelo de solvatação SMD no nível M062X/6-31+G**.
• Análise: O estudo utilizou análises de Orbital de Ligação Natural (NBO) e da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) para caracterizar interações intramoleculares, especificamente ligações de hidrogênio. As preferências conformacionais foram analisadas usando o sistema de pseudorrotação de Altona e Sundaralingam (AS) para definir a forma do anel furanose (ângulo de fase $P$ e amplitude de enrugamento $\nu_m$).

Principais Contribuições e Resultados

1. Avaliação Metodológica:
   O estudo comparou o desempenho dos funcionais B3LYP e M062X contra os benchmarks de MP2. Os autores descobriram que o funcional M062X proporcionou uma descrição qualitativa e quantitativamente melhor das energias conformacionais para estas formas aniônicas em comparação ao B3LYP. Os resultados do M062X mostraram menos dispersão e melhor correlação com os dados de MP2, particularmente na região de baixa energia, enquanto o B3LTP tendeu a superestimar as energias para a maioria dos rotâmeros.

2. Panorama Conformacional na Fase Gasosa:

   • Resultados B3LYP: Identificou o Conformero 3 como o mínimo global, dominando a mistura de equilíbrio (>95%). Este conformero apresenta uma orientação de base high-anti, um grupo 2'-OH ap e um resíduo de fosfato -sc. O anel furanose adota uma conformação 2T1 ($P = 138,1^\circ$). É estabilizado por uma ligação de hidrogênio intramolecular relativamente forte entre o oxigênio do fosfato e o hidrogênio do 2'-OH.
   • Resultados M062X: Revelou um equilíbrio mais complexo e multicomponente. O Conformero 1 foi identificado como o mínimo global, compreendendo mais de 50% da mistura, com o Conformero 3 presente em ~27%. O Conformero 1 apresenta uma orientação de base anti, um 2'-OH +sc e um resíduo de fosfato ap. Seu anel furanose adota uma conformação 3E ($P = 14,1^\circ$), localizada na região nordeste da roda de pseudorrotação (característica do DNA de forma A).
   • Estabilização: As análises NBO e QTAIM indicaram que o Conformero 1 é estabilizado por duas a três ligações de hidrogênio impróprias relativamente fracas. Em contraste, o Conformero 3 é estabilizado por duas interações, uma das quais é uma ligação de hidrogênio parcialmente covalente e forte.

3. Efeitos do Ambiente Aquoso:
   A transição para um ambiente aquoso (modelo SMD) causou uma mudança dramática na estabilidade conformacional, um fenômeno não observado em sistemas de TNA não carregados estudados anteriormente.

   • O Conformero 12 emergiu como o mínimo global em água, representando 65,14% da população de equilíbrio.
   • Notavelmente, o Conformero 12 não é estabilizado pelas ligações de hidrogênio intramoleculares que estabilizaram o Conformero 1 na fase gasosa. A mudança é impulsionada pela rotação do resíduo de fosfato (mudança no ângulo de torção $\gamma$ de ~165° no Conformero 1 em fase gasa para ~-68° no Conformero 12), o que quebra as interações intramoleculares, mas favorece a solvatação.
   • Os conformeros anteriormente dominantes na fase gasosa (1 e 3) viram suas populações caírem significativamente em água (para <5% e ~2,6%, respectivamente).

Significância
O artigo afirma que a presença de uma carga negativa altera significativamente as preferências conformacionais dos monômeros de TNA em comparação com seus equivalentes neutros. O estudo destaca que:

• A escolha do funcional computacional (M062X vs. B3LYP) é crítica para prever com precisão o equilíbrio conformacional de análogos de ácidos nucleicos carregados.
• Efeitos de solvatação são profundos para monômeros de TNA carregados, capazes de reverter completamente a ordem de estabilidade dos conformeros encontrados na fase gasosa.
• A conformação mais estável em um ambiente aquoso (Conformero 12) carece da rede de ligações de hidrogênio intramolecular vista nos mínimos da fase gasosa, sugerindo que as interações com o solvente desempenham um papel dominante na determinação da estrutura do TNA em contextos biológicos.

Estes achados fornecem uma base teórica para entender o comportamento estrutural do TNA, o que é essencial para elucidar seu potencial papel na origem da vida e sua aplicação em biotecnologia (ex: aptâmeros e fármacos antisense). O estudo enfatiza que o conhecimento detalhado das preferências conformacionais é um pré-requisito para compreender as relações estrutura-atividade destes ácidos nucleicos artificiais.