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聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状大分子与DNA相互作用的蒙特卡洛模拟

Monte-Carlo simulations of PAMAM dendrimer-DNA interactions.

作者信息

Yu Shi, Larson Ronald G

机构信息

Chemical Engineering Department, University of Michigan, Ann Arbor 48109, USA.

出版信息

Soft Matter. 2014 Aug 7;10(29):5325-36. doi: 10.1039/c4sm00452c. Epub 2014 Jun 13.

DOI:10.1039/c4sm00452c
PMID:24924736
Abstract

We use Monte Carlo simulations to determine the influence of poly(amido amine) (PAMAM) dendrimer size and charge on its interactions with double-stranded DNA conformation and interaction strength. To achieve a compromise between simulation speed and molecular detail, we combine the coarse-grained DNA model of de Pablo et al. which resolves each DNA base using three beads - and thereby retains the double-helix structure - with a dendrimer model with resolution similar to that of the DNA. The resulting predictions of the effects of dendrimer generation, dendrimer surface charge density, and salt concentration on dendrimer-DNA complexes are in agreement with both experiments and all-atom MD simulations. The model predicts that DNA wraps a fully charged G5 or G6 dendrimer at low salt concentration (10 mM) similarly to a histone octamer, and for the G5 dendrimer, DNA super helices with both handednesses occur. At salt concentrations above 50 mM, or when a high fraction of dendrimer surface charges are neutralized by acetylation, DNA adheres but does not compactly wrap the dendrimer, in agreement with experimental findings. We are also able to simulate pairs of dendrimers binding to the same DNA strand. Thus, our mesoscale simulation not only elucidates dendrimer-DNA interactions, but also provides a methodology for efficiently simulating chromatin formation and other cationic macroion-DNA complexes.

摘要

我们使用蒙特卡罗模拟来确定聚(酰胺胺)(PAMAM)树枝状大分子的大小和电荷对其与双链DNA构象及相互作用强度的影响。为了在模拟速度和分子细节之间达成折衷,我们将德帕布罗等人的粗粒度DNA模型(该模型用三个珠子解析每个DNA碱基,从而保留双螺旋结构)与一个分辨率与DNA相似的树枝状大分子模型相结合。由此得出的关于树枝状大分子代数、树枝状大分子表面电荷密度和盐浓度对树枝状大分子-DNA复合物影响的预测结果与实验及全原子分子动力学模拟结果均一致。该模型预测,在低盐浓度(10 mM)下,DNA包裹完全带电的G5或G6树枝状大分子的方式类似于组蛋白八聚体,对于G5树枝状大分子,会出现两种手性的DNA超螺旋。在盐浓度高于50 mM时,或者当树枝状大分子表面的大部分电荷被乙酰化中和时,DNA会附着但不会紧密包裹树枝状大分子,这与实验结果一致。我们还能够模拟一对树枝状大分子与同一条DNA链的结合。因此,我们的中尺度模拟不仅阐明了树枝状大分子-DNA相互作用,还提供了一种有效模拟染色质形成及其他阳离子大分子-DNA复合物问题的方法。

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