Adsorption of DNA onto anionic lipid surfaces

Abstract

Currently self-assembled DNA delivery systems composed of DNA multivalent cations and anionic lipids are considered to be promising tools for gene therapy. These systems become an alternative to traditional cationic lipid–DNA complexes because of their low cytotoxicity lipids. However, currently these nonviral gene delivery methods exhibit low transfection efficiencies. This feature is in large part due to the poorly understood DNA complexation mechanisms at the molecular level. It is well-known that the adsorption of DNA onto like charged lipid surfaces requires the presence of multivalent cations that act as bridges between DNA and anionic lipids. Unfortunately, the molecular mechanisms behind such adsorption phenomenon still remain unclear. Accordingly a historical background of experimental evidence related to adsorption and complexation of DNA onto anionic lipid surfaces mediated by different multivalent cations is firstly reviewed. Next, recent experiments aimed to characterise the interfacial adsorption of DNA onto a model anionic phospholipid monolayer mediated by Ca2+ (including AFM images) are discussed. Afterwards, modelling studies of DNA adsorption onto charged surfaces are summarised before presenting preliminary results obtained from both CG and all-atomic MD computer simulations. Our results allow us to establish the optimal conditions for cation-mediated adsorption of DNA onto negatively charged surfaces. Moreover, atomistic simulations provide an excellent framework to understand the interaction between DNA and anionic lipids in the presence of divalent cations. Accordingly, our simulation results in conjunction go beyond the macroscopic picture in which DNA is stuck to anionic membranes by using multivalent cations that form glue layers between them. Structural aspects of the DNA adsorption and molecular binding between the different charged groups from DNA and lipids in the presence of divalent cations are reported in the last part of the study. Although this research work is far from biomedical applications, we truly believe that scientific advances in this line will assist, at least in part, in the rational design and development of optimal carrier systems for genes and applicable to other drugs.

Actualmente, los sistemas autoensamblados formados por ADN, cationes multivalentes y lípidos están considerados como herramientas prometedoras para la terapia genética. Estos sistemas suponen una alternativa a los complejos de ADN con lípidos catiónicos debido a su menor citotoxicidad. Sin embargo, estos vectores de transfección no víricos presentan bajas eficiencias de transfección. Esto se debe en gran parte a la poca información que tenemos sobre los mecanismos de esta complejación a nivel molecular. Es bien sabido que la complejación de ADN con superficies cargadas del mismo signo requiere la presencia de cationes multivalentes que actúan como puentes entre el ADN y los lípidos aniónicos. Desafortunadamente, los mecanismos moleculares que posibilitan esta interacción aún no están claros. En primer lugar, revisamos la historia de la evidencia experimental relacionada con la adsorción y complejación de ADN con superficies de lípidos aniónicas mediadas por diferentes cationes multivalentes. A continuación, discutimos experimentos recientes que caracterizan la adsorción interfacial de ADN sobre monocapas modelo con fosfolípidos aniónicos mediadas por Ca2+ (se incluyen imágenes de AFM). Después, resumimos los estudios teóricos de adsorción de ADN sobre superficies cargadas para después presentar los resultados preliminares de las simulaciones computacionales, distinguiendo por un lado los modelos de Grano Grueso (GG) y por otro los modelos atomísticos con el método de la Dinámica Molecular (DM). Nuestros resultados permiten establecer las condiciones óptimas para la adsorción de ADN sobre superficies con carga negativa mediadas por cationes. Además, las simulaciones atomísticas suponen una aproximación excelente para comprender todos los aspectos relacionados con la interacción entre el ADN y los lípidos aniónicos en presencia de cationes divalentes. Así, los resultados de nuestras simulaciones van más allá de la representación esquemática en la que el ADN se une a las membranas de lípidos aniónicos por medio de una capa de cationes que actúan como un pegamento. En la parte final del estudio describimos los aspectos estructurales involucrados en la adsorción de ADN en presencia de cationes de Ca2+, indicando la unión de los grupos cargados del ADN y de los lípidos. Aunque este trabajo de investigación se encuentra alejado de las aplicaciones biomédicas, creemos que los avances científicos en esta línea ayudarán, al menos en parte, al diseño y desarrollo de vectores genéticos y sistemas de transporte de otros fármacos.