Defesa de Tese de Doutorado #417 – Luciano Gabriel Silva – 07/07/2023

Ácidos nucleicos, em especial DNA e RNA, têm inegável importância tecnológica e biológica. Aqui desenvolvemos dois projetos ligados a estabilidade de ácidos nucleicos. No primeiro projeto abordamos o efeito de íons metálicos que se ligam entre as bases do DNA (M-DNA), cujo possuem potencial tecnológico para serem usados como biosensores. No segundo projeto abordamos a questão do efeito de polietilenoglicol na desnaturação do DNA que simula o efeito do confinamento desta molécula na célula, um importante problema em biologia molecular. Para o desenvolvimento destes projetos usamos dados de desnaturação UV presentes na literatura, e utilizamos modelos mesoscópicos, principalmente o modelo Peyrard-Bishop (PB), para calcular as interações presentes no sistema.

M-DNA é uma molécula de DNA em que a ligação de hidrogênio entre as bases é substituída por um íon metálico. No DNA natural apenas os íons Ag+ e Hg2+ apresentam efeito estabilizador. No entanto, não está claramente estabelecido se estes íons o fazem por uma ligação covalente base-metal-base, ligação direta, ou se há outro mecanismo em questão, tal como alterações no efeito de empilhamento (stacking), ligações interplanares. Sabe-se que Ag+ estabiliza citosina-citosina (CC), enquanto Hg2+ estabiliza timina-timina (TT). Ou seja, os íons estabilizam pares de base do tipo mismatch, que normalmente são bastante instáveis. Em nossos resultados vimos que Hg2+ estabiliza mediante ligação base-metal-base próxima ao valor de um par CG, enquanto para Ag+ temos o mesmo tipo de estabilização, porém com intensidade próxima ao de um par AT. Valores pequenos de empilhamento CC-CC para Ag+ e TT-TT para Hg2+ descartam interações interplanares. Com isto estabelecemos que modelo mesoscópico, a partir dos dados experimentais disponíveis, pode determinar conclusivamente a origem do efeito estabilizante do íon metálico.

Para compreender os efeitos intramoleculares de DNA e RNA, os experimentos in vitro são comumente realizados em solução de água e sal, livre de outros aditivos. Isto é muito diferente do conteúdo celular que contém cerca de 20-40% de macro- e micro-moléculas. Portanto, não se sabe até que ponto os resultados destes experimentos correspondem ao que ocorre com estas moléculas no ambiente celular. Para estudar estes efeitos costuma-se adicionar polietilenoglicol (PEG), que está disponível numa variedade de massas moleculares e por isto oferece uma maneira simples e controlada para simular experimentalmente o efeito da presença de micro- e macro-moléculas. PEGs com massas moleculares menores do que 1000 (PEG200, por exemplo) se comportam como micro-moléculas e desestabilizam o DNA, sendo que com massa maior (PEG2000, por exemplo) agem como macro-moléculas e estabilizam o DNA. Muitos autores modificaram o modelo PB adicionando um termo no potencial de Morse para descrever a interação dos nucleotídeos com solvente, no entanto estes modelos nunca foram validados com dados experimentais. Por ser um campo recente apenas agora dispomos de dados experimentais suficientes para estudar se os mode- los de fato descrevem o efeito que as moléculas de H2 O tem sobre os nucleotídeos. Neste estudo comparamos situações de solução aquosa na presença ou ausência de PEG200 em DNA (baixa concentração de sal, Na+ =100 mM) e RNA (baixa, Na+=100 mM, e alta, Na+ =1000 mM, concen- tração de sal). Nossos resultados mostram que o RNA é mais hidratado do que o DNA. Na presença de PEG200 a diferença de energia entre os pares AT e CG, DNA, e AU e CG, RNA, aumentam, po- rém no RNA a diferença de energia é bem menor. Grandes diferenças de energia entre os pares de base causam distorções na conformação da dupla hélice. Neste caso, DNA na presença de PEG200 pode estar assumindo um outro tipo de conformação, hélice do tipo B, predominante em soluções com água, para uma hélice de tipo A, predominante em soluções com menos água disponível. Va- lores de energia AT na presença e ausência de PEG200 são praticamente iguais. Este resultado confirma que hélices de DNA homogêneas AT só existem no tipo B independente da mudança de hidratação do par de base. Dentre os modelos PB com barreira analisados, apenas o modelo HMS− conseguiu predizer às temperaturas de desnaturação de maneira equivalente, pois os parâmetros das qualidades das predições são pequenos. Na ausência de PEG200 e baixas concentrações de sal as energias de barreira são praticamente iguais. Oposto ao que acontece em altas concentrações de sal, onde a barreira de CG é um pouco maior do que AU. Além de ser nais hidratado RNA con- centra mais íons do que o DNA, por este motivo observamos uma redução da barreira de energia na presença de PEG200. O modelo HMS− explica muito bem a interação nucleotídeo-solvente- nucleotídeo. Logo, encontramos um modelo PB modificado que explica uma parte da dinâmica dos nucleoteotídeos inexistente no modelo PB original.

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