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Gerald Weberhttp://lattes.cnpq.br/2390754751659201Ubirajara Agero BatistaElso Drigo FilhoMárcio Santos RochaMariana Torquato Quezado de Magalhãeshttp://lattes.cnpq.br/7218206220927592Luciano Gabriel Silva2023-09-26T12:59:42Z2023-09-26T12:59:42Z2023-07-07http://hdl.handle.net/1843/58923Ácidos nucleicos, em especial DNA e RNA, têm importância biológica e tecnológica inegável. Aqui, desenvolvemos dois projetos relacionados à estabilidade de ácidos nucleicos. No primeiro projeto abordamos o efeito de íons metálicos, Hg2+ e Ag+ , que se ligam entre as bases do DNA (M-DNA). Esses íons têm potencial tecnológico para serem usados como biosensores. No segundo projeto, abordamos a questão do efeito de polietilenoglicol (PEG) na desnaturação do DNA. O PEG simula o efeito do confinamento molecular, representando macro- e micro-moléculas existentes na célula, o que é 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, 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 por meio de ligação base-metal-base próxima ao valor de um par CG, enquanto para Ag+ temos o mesmo tipo de estabilização, porém com intensidade próxima à 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 essas 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 modelos de fato descrevem o efeito que as moléculas de água (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 concentração de sal, Na+ =100 mM, e alta concentração de sal, Na+ =1000 mM). 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 no DNA, e AU e CG no RNA, aumentam, porém no RNA a diferença de energia é bem menor. Grandes diferenças de energia entre os pares de base podem causar distorções na dupla hélice. Neste caso, o 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. Valores 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 Hamiltoniano Morse Solvente (HMS− ) conseguiu predizer as 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. Ao contrário do que acontece em altas concentrações de sal, onde a barreira de CG é um pouco maior do que AU. Além de ser mais hidratado, o RNA concentra 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 nucleotídeos inexistente no modelo PB original.Nucleic acids, in special DNA and RNA, have undeniable technological and biological importance. Here, we develop two projects linked to the stability of nucleic acids. In the first, we discuss the effects of metallic ions that bind between the base pairs of DNA (M-DNA), and which has technological potential to be used as biosensors. In the second, we address the effect of polyethylene glycol, that simulates the crowding effect in the denaturation of DNA, an important problem in molecular biology. For the development of these projects we use UV published melting. In addition, we use mesoscopic models, mainly the Peyrard-Bishop (PB), to calculate the interactions present in the system. M-DNA is a DNA molecule where the hydrogen bond between the bases is changed due to the presence of a metallic ion. In natural DNA, only Ag+ and Hg2+ have a stabilizing effect. However, there is no clear understanding if these ions stabilize the DNA via a direct bond, covalent bond base-metal-base, or via another mechanism such as interplanar interactions, stacking between the nearest-neighbouring bases. We know that Ag+ stabilizes the cytosine-cytosine (CC) mismatch, while Hg2+ stabilize the thymine-thymine (TT) mismatch. In other words, the cations stabilize mismatches, who are otherwise quite unstable. Our results show that Hg2+ stabilizes the DNA via the pair base-metal-base which has a strength similar to a CG pair, while for Ag+ the stabilization process is the same, however with a strength somewhat weaker than an AT base pair. The small stacking interactions of CC-CC for Ag+ and TT-TT for Hg 2+ does not support interplanar interactions which were hypothesized by some authors. Therefore, mesoscopic models can conclusively explain the origin of the metal ion stabilizing effect from experimental data available. To understand the intramolecular effects in DNA and RNA, in vitro experiments are com- monly performed in saline solutions, free of other compounds. This is very different from the cell environment that has a myriad of molecules, the cell volume is composed of 20-40% of micro- and macro-molecules. Therefore, it is not know how far the results of the experiments can explain what really happens on the molecular environment. To study these effects it is customary to add polyetylene glycol (PEG), which is available in a variety of molecular weights and therefore offers a simple and controlled way to experimentally simulate the effect of micro-and macro-molecules on the nucleotides. PEGs with molecular weights lower than 1000 (PEG200, for instance) behave like micromolecules and destabilize the DNA, while PEGs with molecular weights greater act as macromolecules and stabilize the DNA. Several authors proposed modifications to the PB model by adding a term in the Morse potential to describe the interaction of nucleotides with the solvent, water in particular, but these models have never been subject to validation with experimental data. Only recently have enough experimental data become available to study whether the models actually describe the effect that H2O molecules have on nucleotides, giving us the opportunity to apply the PB model in this type of system. In this thesis, we compare DNA (low salt concentration, [Na+ ]=100 mM) and RNA (low, [Na+ ]=100 mM, and high, [Na+ ]=1000 mM, salt concentration) aqueous solution in two situations: with PEG200 and without PEG200. Our results confirms that RNA is more hydrated than DNA. The energy difference between AT and CG, DNA, and AU e CG, RNA, increases when we add PEG200, but in RNA the energy difference is much smaller. Large energy differences between the base pairs cause distortions in the conformation of the double helix. In this case, DNA in the presence of PEG200 may be assuming another type of conformation. DNA B-type helix, characteristic in water solutions, changes to an A-type helix, characteristic in solutions with less water available. AT energy values with and without PEG200 are practically the same. This result confirms that homogeneous AT DNA helices assumes only B-type conformation regardless of the hydration change. Among the barrier-modified PB models analysed, only the HMS− was found to adequately predict melting temperatures. In the absence of PEG200 and low salt concentrations the barrier energies were found to be the same. Different to what happens at high salt concentrations, where the CG barrier is a little higher than the AU barrier. RNA concentrates more ions and it is more hydrated than DNA, for this particularly reason we observe a reduction in the barrier energy with PEG200. The HMS− model was found to provide a satisfactorily description of the nucleotide-solvent-nucleotide interaction. Therefore, we found a modified PB model that can explain the intermediate state in the duplex separation process, absent of the standard PB model.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas GeraisCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFMGBrasilICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICABiofísicaDNADesnaturação UVNucleotídeosDNA mediado por metal (M-DNA)Ag+Hg2+Ambiente macromolecularPEGHidrataçãoModelo Peyrard-Bishop (PB)Modelo PB com barreiraModelos mesoscópicos para DNA mediado por metal e na presença de solventes que simulam o meio molecularMesoscopic models for metal mediated DNA and in the presence of molecular crowdersinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALModelos mesoscópicos para DNA mediado por metal e na presença de solventes que simulam o meio molecular.pdfModelos mesoscópicos para DNA mediado por metal e na presença de solventes que simulam o meio molecular.pdfapplication/pdf15200979https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/58923/2/Modelos%20mesosc%c3%b3picos%20para%20DNA%20mediado%20por%20metal%20e%20na%20presen%c3%a7a%20de%20solventes%20que%20simulam%20o%20meio%20molecular.pdfae1f5c856bea15344bf8891265b51570MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/58923/3/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD531843/589232023-09-26 09:59:43.293oai:repositorio.ufmg.br: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ório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2023-09-26T12:59:43Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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