Coppie di gruppi fosfato caricati negativamente e ioni magnesio positivi rappresentano una caratteristica strutturale chiave del DNA e dell'RNA incorporati nell'acqua. Le vibrazioni dei gruppi fosfato sono state ora stabilite come sonde selettive di tali coppie di contatto e consentono una mappatura delle interazioni e della struttura sulle scale temporali ultraveloci della dinamica molecolare.

DNA e RNA sono polimeri carichi che codificano le informazioni genetiche in una struttura a doppia elica e agiscono come attori chiave nella biosintesi delle proteine. Le loro cariche negative si trovano nella spina dorsale molecolare, che consiste di fosfato ionico (PO ^2- ) e dei gruppi zuccherini (Figura 1). La stabilizzazione delle strutture macromolecolari di DNA e RNA richiede una compensazione di forti forze elettriche repulsive tra i gruppi fosfato ugualmente carichi da parte di ioni opposti, cioè., Carica positiva. In tale contesto, magnesio (Mg ²⁺ ) sono particolarmente importanti in quanto non solo stabilizzano la struttura, ma mediano anche il riconoscimento di partner di legame esterni e agiscono come centri catalitici. Inoltre, i cambiamenti della struttura macromolecolare tramite processi di ripiegamento dinamico sono collegati a un riarrangiamento di ioni positivi incorporati nel guscio d'acqua circostante.

Gli ioni positivi sono disposti in diverse geometrie attorno al DNA e all'RNA:nelle cosiddette geometrie site-bound o contact-pair, uno ione positivo si trova a diretto contatto con un atomo di ossigeno di un gruppo fosfato. In contrasto, la cosiddetta atmosfera ionica esterna è costituita da ioni positivi separati da almeno uno strato di molecole d'acqua dai gruppi fosfato. Il ruolo funzionale delle diverse geometrie e le interazioni sottostanti sono lungi dall'essere compreso. Una visione più profonda a livello molecolare richiede sonde altamente sensibili che consentano di discernere le diverse geometrie ioniche senza disturbarle, e per mappare la loro dinamica sulla scala temporale ultraveloce dei moti molecolari.

In una recente pubblicazione, i ricercatori del Max Born Institute (MBI) dimostrano che le vibrazioni dei gruppi fosfato rappresentano sonde sensibili e non invasive di geometrie ioniche in un ambiente acquatico. Dimetilfosfato (DMP, (CH ³ O)2PO ^2- ), un sistema modello consolidato per la spina dorsale del DNA e dell'RNA, è stato preparato in acqua liquida con un eccesso di Mg ²⁺ ioni (Figura 2, top) e studiato mediante spettroscopia vibrazionale non lineare nel dominio del tempo dei femtosecondi (1 fs =10 ^-15 S). Gli esperimenti utilizzano la spettroscopia infrarossa bidimensionale (2-D-IR), un metodo più sofisticato per analizzare le interazioni e le strutture ioniche sulla scala temporale intrinseca dei moti molecolari fluttuanti.

La mappa degli esperimenti Mg ²⁺ ioni a diretto contatto con un PO ^2- gruppo tramite una caratteristica distinta nello spettro 2-D-IR (Figura 2, parte inferiore). L'interazione con il Mg ²⁺ lo ione sposta il PO . asimmetrico ^2- allungando la vibrazione ad una frequenza che è più alta che in assenza di Mg ²⁺ ioni. La forma della linea e l'evoluzione temporale di questa nuova funzionalità rivelano fluttuazioni della geometria della coppia ionica di contatto e del guscio d'acqua incorporato su una scala temporale di centinaia di femtosecondi mentre la coppia di contatto stessa esiste per tempi molto più lunghi (~10 ^-6 S). Un'analisi teorica approfondita mostra che il sottile equilibrio delle forze elettrostatiche attrattive (Coulomb) e delle forze repulsive dovute all'interazione di scambio quanto-meccanico governa la posizione di frequenza della vibrazione del fosfato.

La capacità della spettroscopia 2-D-IR di caratterizzare l'interazione fosfato-ione a corto raggio in soluzione fornisce un nuovo strumento analitico che integra le tecniche strutturali attualmente disponibili. Un'estensione di questo nuovo approccio al DNA e all'RNA e al loro ambiente ionico è molto promettente e dovrebbe fornire nuove informazioni sulle forze che stabilizzano le strutture di equilibrio e guidano i processi di ripiegamento.