Adsorbing DNA to Mica by Cations: Influence of Valency and Ion Type

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作者
Mohd Ali Ibrahim,Christiane Wenzel,Max Lallemang,Bizan N. Balzer,Nadine Schwierz
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:39 (44): 15553-15562 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.3c01835
摘要

Ion-mediated attraction between DNA and mica plays a crucial role in biotechnological applications and molecular imaging. Here, we combine molecular dynamics simulations and single-molecule atomic force microscopy experiments to characterize the detachment forces of single-stranded DNA at mica surfaces mediated by the metal cations Li+, Na+, K+, Cs+, Mg2+, and Ca2+. Ion-specific adsorption at the mica/water interface compensates (Li+ and Na+) or overcompensates (K+, Cs+, Mg2+, and Ca2+) the bare negative surface charge of mica. In addition, direct and water-mediated contacts are formed between the ions, the phosphate oxygens of DNA, and mica. The different contact types give rise to low- and high-force pathways and a broad distribution of detachment forces. Weakly hydrated ions, such as Cs+ and water-mediated contacts, lead to low detachment forces and high mobility of the DNA on the surface. Direct ion-DNA or ion-surface contacts lead to significantly higher forces. The comprehensive view gained from our combined approach allows us to highlight the most promising cations for imaging in physiological conditions: K+, which overcompensates the negative mica charge and induces long-ranged attractions. Mg2+ and Ca2+, which form a few specific and long-lived contacts to bind DNA with high affinity.
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