Using AFM to probe the complexation of DNA with anionic lipids mediated by Ca2+: the role of surface pressure

Abstract

Complexation of DNA with lipids is currently being developed as an alternative to classical vectors based on viruses. Most of the research to date focuses on cationic lipids owing to their spontaneous complexation with DNA. Nonetheless, recent investigations have revealed that cationic lipids induce a large number of adverse effects on DNA delivery. Precisely, the lower cytotoxicity of anionic lipids accounts for their use as a promising alternative. However, the complexation of DNA with anionic lipids (mediated by cations) is still in early stages and is not yet well understood. In order to explore the molecular mechanisms underlying the complexation of anionic lipids and DNA we proposed a combined methodology based on the surface pressure–area isotherms, Gibbs elasticity and Atomic Force Microscopy (AFM). These techniques allow elucidation of the role of the surface pressure in the complexation and visualization of the interfacial aggregates for the first time. We demonstrate that the DNA complexes with negatively charged model monolayers (DPPC/DPPS 4 : 1) only in the presence of Ca2+, but is expelled at very high surface pressures. Also, according to the Gibbs elasticity plot, the complexation of lipids and DNA implies a whole fluidisation of the monolayer and a completely different phase transition map in the presence of DNA and Ca2+. AFM imaging allows identification for the first time of specific morphologies associated with different packing densities. At low surface coverage, a branched net like structure is observed whereas at high surface pressure fibers formed of interfacial aggregates appear. In summary, Ca2+ mediates the interaction between DNA and negatively charged lipids and also the conformation of the ternary system depends on the surface pressure. Such observations are important new generic features of the interaction between DNA and anionic lipids.

La complejación de ADN con lípidos se está desarrollando actualmente como una alternativa a los vectores clásicos basados en virus. La mayoría de las investigaciones hasta la fecha se centran en lípidos catiónicos debido a su complejación espontánea con el ADN. Sin embargo, investigaciones recientes han revelado que los lípidos catiónicos producen un gran número de efectos secundarios. Precisamente, la menor citotoxicidad de los lípidos aniónicos avala su uso como alternativa prometedora. Sin embargo, el estudio de la complejación de ADN con lípidos aniónicos (mediada por cationes) aún se encuentra en su etapa inicial y no se ha comprendido en profundidad. Para explorar los mecanismos moleculares que subyacen a la complejación de lípidos aniónicos con ADN, proponemos una metodología experimetal que combina isotermas de presión superficial-área, elasticidad de Gibbs y Microscopía de Fuerzas Atómicas (AFM). Estas técnicas permiten dilucidar el papel de la presión superficial en la complejación y visualizar por primera vez los agregados interfaciales. Demostramos que el ADN se une a monocapas modelo cargadas negativamente (DPPC/DPPS 4:1) sólo en presencia de Ca²⁺, siendo expulsado a presiones superficiales muy altas. Además, según la gráfica de elasticidad de Gibbs, la complejación de lípidos y ADN implica una total fluidificación de la monocapa, con un diagrama de transición de fase completamente diferente en presencia de ADN y Ca²⁺. La obtención de imágenes por AFM permite identificar por primera vez las morfologías específicas para diferentes niveles de empaquetamiento superficial. A bajo recubrimiento superficial se observa una estructura de red ramificada, mientras que a alta presión superficial aparecen fibras formadas por agregados interfaciales. En resumen, el Ca²⁺ media la interacción entre el ADN y los lípidos cargados negativamente, dependiendo la configuración del sistema ternario de la presión superficial. Estas observaciones revelan nuevas e importantes características de la interacción entre el ADN y los lípidos aniónicos.