二重陽イオンによって媒介される双性イオン脂質層へのDNAの結合

ダイバルなカチオン、すなわち、カルシウム、マグネシウムなどは、ホスファチジルコリンなどの結合脂質で構成される膜と相互作用するDNAの能力を高めることができます。結果として生じる凝縮錯体は、非毒性遺伝子送達車両として潜在的な用途を提供します。本研究は、二重陽イオンの存在下での双性イオン脂質-DNA複合体のエネルギーと構造的特徴を説明する一般的な理論モデルを示唆しています。具体的には、二本鎖DNAの単一分子の吸着を平面の双性イオン脂質層に吸着することを検討します。私たちの理論モデルは、連続したポアソン・ボルツマンの形式に基づいており、2つの反対の電荷とZwitherionic脂質ヘッドグループの方向的な自由を説明するように修正しました。二重のカチオンが存在する場合、DNAの実質的により好ましい吸着自由エネルギーを見つけます。さらに、我々のモデルは、これらの脂質がDNAの近くに位置することを考えると、双性イオン脂質のリン酸塩基と優先的に相互作用するための二価カチオンを予測します。これには、DNAに向かってZwitherionicヘッドグループの小規模だが注目すべき再配向が伴います。双性イオン脂質層へのDNAの結合は、対イオンの放出によって駆動されないことを実証します。代わりに、結合は、DNAのリン酸塩基（結合前）からZwitherionic脂質のリン酸基に（結合後）に、二価カチオンの部分的な再分布につながります。したがって、我々の結果は、平均フィールド静電症の観点から、DNAとズウィタリオン脂質の間の複雑な形成の根底にある一般的な物理的メカニズム、つまり、相関も相互作用も二価カチオンの相互作用を含むものではないことを示唆しています。

Divalent cations, i.e., calcium, magnesium, and others, are able to enhance the ability of DNA to interact with membranes that are composed of zwitterionic lipids such as phosphatidylcholine. The resulting condensed complexes offer potential applications as nontoxic gene delivery vehicles. The present study suggests a generic theoretical model to describe the energetics and structural features of a zwitterionic lipid-DNA complex in the presence of divalent cations. Specifically, we consider the adsorption of a single molecule of double-stranded DNA onto a planar zwitterionic lipid layer. Our theoretical model is based on the continuum Poisson-Boltzmann formalisms, which we modified so as to account for the two opposite charges and orientational freedom of the zwitterionic lipid headgroups. We find a substantially more favorable adsorption free energy of the DNA if divalent cations are present. In addition, our model predicts the divalent cations to preferentially interact with the phosphate groups of the zwitterionic lipids, given these lipids are located in close vicinity to the DNA. This is accompanied by a small but notable reorientation of the zwitterionic headgroups toward the DNA. We demonstrate that the binding of DNA onto a zwitterionic lipid layer is not driven by the release of counterions. Instead, the binding leads to a partial redistribution of the divalent cations, from the phosphate groups of the DNA (prior to the binding) to the phosphate groups of the zwitterionic lipids (after the binding). Our results thus suggest a general physical mechanism underlying complex formation between DNA and zwitterionic lipids in terms of mean-field electrostatics, i.e., neither involving correlations nor specific interactions of the divalent cations.