Mechanisms of ssDNA aptamer binding to Cd2+ in aqueous solution: A molecular dynamics study

适体 水溶液 化学 分子识别 分子动力学 分子 水溶液中的金属离子 生物传感器 金属 氢键 组合化学 纳米技术 计算化学 材料科学 生物化学 物理化学 生物 有机化学 遗传学
作者
Xiuxiu Wu,Hongen Yuan,Rui Zhao,Pengsheng Wang,Min Yuan,Hui Cao,Tai Ye,Fei Xu
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:251: 126412-126412 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.126412
摘要

ssDNA aptamers have been increasingly used to detect heavy metal ions as recognition elements due to their high affinity and specificity. However, the specific recognition and binding mechanisms between aptamers and most heavy metals were still unclear, which limits the development of aptamer-based detection methods. In this work, the interaction mechanisms of CD-2-1 aptamers with Cd2+ in aqueous solutions were investigated using molecular dynamic simulations. The most stable complex was found where Cd2+ binding at aptamer's stem-loop junction and preferred at the phosphate backbone or bases. Noteworthily, two binding modes of Cd2+ combining aptamer in aqueous solution were discovered: direct and indirect. In the former mode, Cd2+ directly coordinated O atoms of bases. For the latter, Cd2+ connected to bases with coordinated water molecules as bridges. Electrostatic interaction was found to be the main driving force, and differences of residues role between two binding modes were elucidated. Buffer molecules in aqueous solutions can stabilize aptamer-Cd2+ complex by hydrogen bonds. This study revealed the specific interaction mechanisms of aptamer with Cd2+ at an atomic level, which provided theoretical references for aptamer-based Cd2+ detection methods establishment as well as an efficient technical route of screening potential aptamers for heavy metal ions.
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