Estudio y preparación de nanomateriales moleculares basados en híbridos metal-ADN
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Pérez Romero, AntonioEditorial
Universidad de Granada
Director
Galindo Cuesta, Miguel ÁngelDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en QuímicaDate
2024Fecha lectura
2024-07-05Referencia bibliográfica
Antonio Pérez Romero. Estudio y preparación de nanomateriales moleculares basados en híbridos metal-ADN. Granada: Universidad de Granada, 2024. [https://hdl.handle.net/10481/94828]
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Tesis Univ. Granada.Abstract
En esta tesis doctoral se describen los procesos para desarrollar
nanomateriales tecnológicos basados en híbridos ADN-Pd.
En primer lugar, se han estudiado las interacciones entre complejos de PdII
y las nucleobases modelo del ADN aisladas, derivadas de la adenina (A),
citosina (C) y timina (T), para comprobar que es posible formar pares de bases
mediados por paladio del tipo A-PdII-L, C-PdII-L o T-PdII-L (L = ácido 4-
hidroxipiridín-2,6-dicarboxílico (Cheld); 8-amino-4-hidroxiquinolina-2-
carboxílico (Aqa); 2,6-piridina-dimetanamina (dPy)). Con este objetivo, los
fragmentos metálicos Pd-L han sido diseñados de manera racional para que
sean capaces de reconocer nucleobases a través de la formación de un enlace
de coordinación y enlaces de hidrógeno intramoleculares complementarios.
Para dilucidar la formación de los pares de bases mediados por paladio se han
empleado distintas técnicas de caracterización, entre las que se incluyen;
Resonancia Magnética Nuclear (1H-RMN, COSY, DOSY, NH-HSQC),
Difracción de Rayos X en polvo (XRPD) y monocristal (XR), Espectrometría
de Masas (ESI-MS), Cálculos Computacionales (DFT) y Calorimetría de
Titulación Isotérmica (ITC).
A continuación, se presenta una metodología para estudiar la formación de
estructuras supramoleculares mediante la interacción de los fragmentos
metálicos de Pd-L y hebras simples de ADN formadas por homopolímeros de
2’-deoxi-adenosina, 2’-deoxicitidina o 2’-deoxi-timidina. Esta metodología
permite organizar los iones de PdII a lo largo del eje central de la hebra simple
de ADN, mediante la formación de una estructura que se asemeja a una doble
hebra de ADN natural. Una de las hebras estará formada por un homopolímero
(adenosina, citidina o timidina) y la otra por el apilamiento de complejos
metálicos unidos a las nucleobases mediante enlaces de coordinación. La
formación de enlaces de hidrógenos intramoleculares y fuerzas de apilamiento
a lo largo de la estructura resultarán fundamentales para la estabilización del sistema supramolecular híbrido ADN-Pd. El estudio de la formación de estas
estructuras supramoleculares ADN-Pd se ha llevado a cabo empleando técnicas
de caracterización, entre las que se incluyen; Dicroísmo Circular (CD),
Espectrometría de Masas (ESI-MS), Cálculos Computacionales (DFT),
Espectroscopía UV-Vis (UV-Vis), Difracción de Rayos X de Ángulo Bajo
(SAXS) y Calorimetría de Titulación Isotérmica (ITC).
En tercer lugar, en esta tesis doctoral se ha estudiado la selectividad de los
fragmentos metálicos de Pd-L con respecto a sus nucleobases complementarias.
Para esto, se han realizado estudios de competitividad aislados entre los
fragmentos metálicos Pd-Cheld y Pd-Aqa con respecto a sus nucleobases
complementarias modificadas 9-etil-adenina (eA) y 1-metil-citosina (mC),
respectivamente. Estos estudios han revelado una preferencia a la hora de
formar los complejos complementarios [Pd(Cheld)(eA)] y [Pd(Aqa)(mC)]. A
continuación, se han realizado estudios de competitividad y especificidad entre
los fragmentos Pd-Cheld y Pd-Aqa y hebras simples de ADN formadas por
homopolímeros de 2’-deoxiadenosina y 2’-deoxicitidina. Se ha demostrado que
los complejos metálicos son capaces de discriminar entre las nucleobases del
ADN para unirse de manera específica a su nucleobases complementaria. Estos
estudios han permitido sentar las bases para el desarrollo de una metodología
que nos permite desarrollar estructuras supramoleculares heterolépticas
mediante la formación de pares de bases complementarios mediados por iones
de PdII. Para estos estudios se han empleado las siguientes técnicas de
caracterización; Resonancia Magnética Nuclear (1H-RMN), Difracción de
Rayos X en monocristal (XR), Espectrometría de Masas (ESI-MS), Dicroísmo
Circular (CD), Espectroscopía UV-Vis (UV-Vis) y Calorimetría de Titulación
Isotérmica (ITC). En cuarto lugar, se ha explorado la posibilidad de dotar a los sistemas
ADN-Pd con propiedades no inherentes, como un aumento de su
conductividad. Con este objetivo, se ha dotado al fragmento metálico Pd-Cheld
con un grupo 2-(2-tienil)pirrol (TP). El monómero TP tienen la capacidad de polimerizar para formar polímeros conductores conjugados capaces de
conducir carga eléctrica. Para esto estudios se han sintetizado y caracterizado
estructuras supramoleculares híbridas [Pd(CheldTP)(poly(A))], donde es
posible organizar a los monómeros de TP a lo largo de la hebra simple de ARN,
promoviendo su polimerización de forma controlada. Mediante técnicas de
caracterización de microscopía de sonda de barrido (AFM y EFM), se ha
comprobado que los polímeros obtenidos son potencialmente conductores y
además que su formación sigue la disposición helicoidal de doble hebra. Finalmente, se han investigado procesos de cristalización para obtener
estructuras de los sistemas híbridos ADN-metal. Por un lado, se presenta la
metodología empleada para intentar obtener cristales de pares de bases
canónicas y aisladas del tipo A-AgI-T y G-AgI-C. Por otro lado, se presenta la
metodología para obtener cristales de un sistema de ADN-Ag modificado. Para
esto, se han empleado secuencias de nucleobases modificadas donde el grupo
N7 de adenina y guanina ha sido sustituido por un grupo CH. Esto permite a
los iones AgI unirse por la cara Watson-Crick-Franklin de las nucleobases y
obtener sistemas DNA-Ag que se asemejan a una doble hebra natural donde los
puentes de hidrógenos entre las bases han sido sustituidos por enlaces de
coordinación. Además, se ha investigado una metodología para intentar obtener
estructuras cristalinas de los híbridos ADN-Pd descritos en este trabajo de tesis.
Para la resolución de las estructuras cristalinas de los pares de bases aislados se
se realizaron medidas de Difracción de Rayos X en monocristal (XR), aunque
los resultados no fueron los esperados. Para intentar resolver los cristales
obtenidos de los sistemas híbridos ADN-Ag y ADN-Pd se realizaron medidas
de Difracción de Rayos X, también sin el éxito esperado, en el European
Synchrotron Radiation Facility (ESRF), de Grenoble (Francia), y en el
National Synchrotron Light Source II, beamline 17-ID-2, de New York (Estados
Unidos). This thesis describes the processes for developing technological
nanomaterials bases on DNA-Pd supramolecular hybrids.
Firstly, interactions between PdII complexes and isolated DNA model
nucleobases derived from adenine (A), cytosine (C) and thymine (T) have been
studied to verify the possibility of forming palladium-mediated base pairs such
as A-PdII-L, C-PdII-L o T-PdII-L (L = 4-hydroxypyridin-2,6-dicarboxilic acid
(Cheld); 8-amino-4-hydroxyquinoline-2-carboxylic acid (Aqa); 2,6-pyridindimethanamide
(dPy)). Towards this aim, the Pd-L metal complexes have been
rationally designed to recognize their complementary nucleobases and bind
through a coordination bond and complementary intramolecular hydrogen
bonds. Various characterization techniques have been employed to elucidate the
formation of palladium-mediated base pairs, including; Nuclear Magnetic
Resonance (1H-RMN, COSY, DOSY, NH-HSQC), Powder X-Ray Diffraction
(XRPD) and single crystal X-Ray (XR), Mass Spectrometry (ESI-MS),
Computational Calculations (DFT) and Isothermal Titration Calorimetry (ITC).
Secondly, a protocol is presented to study the formation of supramolecular
structures through the interaction of Pd-L metal fragments with single strands
of DNA formed by homopolymers of 2’-deoxyadenosine, 2’-deoxycytidine or
2’-deoxythymidine. This methodology allows for the organization of PdII ions
along the central axis of DNA-Pd systems, by forming a structure resembling a
natural double strand DNA. One of the strands will consist of a homopolymer
(adenosine, cytidine, thymidine), while the other will consists of stacked metal
complexes bound to the nucleobases through a coordination bonds. The
formation of complementary intramolecular hydrogen bonds between the metal
fragments and the DNA, along with the stacking interactions along the
structure, will be crucial for stabilizing DNA-Pd supramolecular hybrids. The
formation of supramolecular DNA-Pd structures, has been carried out using
various characterization techniques, including Circular Dichroism (CD), Mass Spectrometry (ESI-MS), Computational Calculations (DFT), UV-Vis
Spectrometry, Small Agle X-ray Diffraction (SAXS) and Isothermal Titration
Calorimetry (ITC).
Thirdly, this doctoral thesis has investigated the selectivity of PdII metal
fragments towards their complementary nucleobases. For this purpose, isolated
competitive studies have been conducted between the Pd-Cheld and Pd-Aqa
metal fragments regarding their complementary nucleobases 9-ethyl-adenine
(eA) and 1-methyl-cytosine (mC), respectively. These studies have revealed a
preference in forming complementary complexes [Pd(Cheld)(eA)] and
[Pd(Aqa)(mC)]. Subsequently, competitive and specificity studies have been
conducted between the Pd-Cheld and Pd-Aqa metal fragments and two
homopolymers of 2’-deoxyadenosine and 2’-deoxycytidine. It has been
demonstrated that metal complexes are capable of discriminating between DNA
nucleobases to selectively bind to their complementary nucleobase. These
studies have laid the groundwork for the development of a methodology
allowing the construction of heteroleptic supramolecular structures. For this
studies, the following characterization techniques have been employed;
Nuclear Magnetic Resonance (1H-RMN), Single Crystal X-Ray (XR), Mass
Spectrometry (ESI-MS), Circular Dichroism (CD), UV-Vis Spectrometry and
Isothermal Titration Calorimetry (ITC).
Fourthly, the possibility of endowing DNA strands with non-inherent
properties, such as conductivity, has been explored. To achieve this goal, the
Pd-Cheld metal fragment has been modified with a 2-(2-thienyl)pyrrole (TP)
group. TP monomer has the ability to polymerize to form conjugated
conductive polymers capable of carrying electrical charge. For this studies,
supramolecular [Pd(CheldTP)(poly(A))] hybrids have been synthetized and
characterized, where it is possible to organize the TP monomers along the
single strand RNA, promoting their controlled polymerization. Using scanning
probe microscopy characterization techniques (AFM and EFM), it has been confirmed that the obtained polymers are potentially conductive and their
formation nicely follow a double helical arrangement.
Finally, processes of crystallization have been investigated to obtain
structures of DNA-metal hybrids systems. On one hand, the methodology
employed to attempt obtaining crystals of canonical and isolated base pairs,
such as A-AgI-T and G-AgI-C, is presented. On the other hand, the methodology
to obtain crystals of modified DNA-Ag hybrids is also presented. To this end,
sequences of modified nucleobases have been used where the N7 group in
adenine and guanine has been substituted by a CH group. This allows AgI ions
to bind to the Watson-Crick-Franklin face of the nucleobases, resulting in DNAAg
systems resembling a natural double helix where hydrogen bonds between
the bases have been replaced by coordination bonds. Furthermore, a
methodology to obtain crystalline structures of DNA-Pd hybrids has been
investigated. For the resolution of the crystalline structures of the isolated metabase
pairs, Single Crystal X-Ray Diffraction (XR) measurements were
performed, although these results were not as expected. To resolve the crystals
obtained from the DNA-Ag and DNA-Pd hybrids, X-Ray Diffraction
measurements were conducted, but without the expected success, at the
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) of Grenoble (France), and at
the National Synchrotron Light Source II, beamline 17-ID-2, de New York
(United States).