Electrochemical Measurement of the Solvent Accessibility of Nucleobases Using Electron Transfer between DNA and Metal Complexes

Johnston, Dean H.; Glasgow, Katherine C.; Thorp, H. Holden

doi:10.1021/ja00140a006

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“…The avidin-Ru film on a SnO2 electrode showed some background photocurrent (Figure 1g). After deposition of a second layer of ds-DNA, the current increased, but only marginally (Figure 1d), reflecting the steric hindrance of the bases in ds-DNA (27). The saturating DNA concentration for film deposition was determined in an experiment described in Figure S1 in the Supporting Information.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Photoelectrochemical DNA Sensor for the Rapid Detection of DNA Damage Induced by Styrene Oxide and the Fenton Reaction

Liang

Guo

2006

Environ. Sci. Technol.

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Rapid and sensitive detection methods are in urgent demand for the screening of an overwhelming number of existing and new chemicals as potential DNA-damaging agents. In this study, two photoelectrochemistry-based DNA sensor configurations were employed in the detection of DNA damage caused by styrene oxide and Fe 2+ /H 2 O 2 . The organic compound and heavy metal represent genotoxic chemicals possessing two major damaging mechanisms, DNA adduct formation and DNA oxidation. In the first sensor configuration, a ruthenium tris(bipyridine)-labeled avidin film and a double-stranded calf thymus DNA (ds-DNA) film were assembled successively on tin oxide nanoparticle film electrodes. Photogenerated Ru(III) oxidized guanidine and adenosine bases in DNA and gave rise to photocurrent. DNA damage was detected after the reaction of the DNA film with either styrene oxide or Fe 2+ /H 2 O 2 , which exposed more DNA bases for photooxidation and resulted in increased photocurrent. In the second configuration, an unlabeled avidin film and a ds-DNA film were assembled on the semiconductor electrode. A DNA intercalator, Ru-(bpy) 2 (dppz) 2+ (bpy ) 2,2′-bipyridine, dppz ) dipyrido[3,2-a: 2′,3′-c]phenazine), was employed as the photoelectrochemical signal reporter. After the chemical reaction with the damaging agents, the DNA film bound less Ru(bpy) 2 -(dppz) 2+ , accompanied by a drop in photocurrent. Both sensors were used to follow the reaction course in styrene oxide and Fenton reagents and produced similar results. According to the data, damage of the DNA film was complete in 1 h in Fenton reagents and in 3 h in styrene oxide. In addition, the Fenton reaction induced much more severe damage than styrene oxide. The results demonstrate for the first time that the photoelectrochemical DNA sensor can detect both DNA adduct formation and DNA oxidation. It has the potential of becoming a screening tool for the rapid assessment of the genotoxicity of existing and new chemicals.

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Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Photoelectrochemical DNA Sensor for the Rapid Detection of DNA Damage Induced by Styrene Oxide and the Fenton Reaction

Liang

Guo

2006

Environ. Sci. Technol.

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“…56,58,59 DNA-based electrochemical methods have also been developed primarily to detect nucleic acid hybridization. 44,45,[60][61][62][63][64][65][66][67][68][69][70][71][72][73] Notably, those methods do not rely on an intercalator as the redox probe. General principles governing electron transport through modified films involving percolation or the physical displacement of associated ions are also well understood.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Intercalative Stacking: A Critical Feature of DNA Charge-Transport Electrochemistry

et al. 2003

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In electrochemistry experiments on DNA-modified electrodes, features of the redox probe that determine efficient charge transport through DNA-modified surfaces have been explored using methylene blue (MB + ) and Ru(NH 3 ) 6 3+ as DNA-binding redox probes. The electrochemistry of these molecules is studied as a function of ionic strength to determine the necessity of tight binding to DNA and the number of electrons involved in the redox reaction; on the DNA surface, MB + displays 2e -/1H + electrochemistry (pH 7) and Ru(NH 3 ) 6 3+ displays 1e -electrochemistry. We examine also the effect of electrode surface passivation and the effect of the mode (intercalation or electrostatic) of MB + and Ru(NH 3 ) 6 3+ binding to DNA to highlight the importance of intercalation for reduction by a DNA-mediated charge-transport pathway. Furthermore, in experiments in which MB + is covalently linked to the DNA through a σ-bonded tether and the ionic strength is varied, it is demonstrated that intercalative stacking rather than covalent σ-bonding is essential for efficient reduction of MB + . The results presented here therefore establish that efficient charge transport to the DNA-binding moiety in DNA films requires intercalative stacking and is mediated by the DNA base pair array.

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“…Resultados indicaram que o enantiômero ∆-interage significativamente com DNA, enquanto a mistura racêmica apresentou comportamento intermediário entre as formas ∆-e Λ-. Por outro lado, o complexo Ru(bpy) 3 3+ catalisa a oxidação do DNA através dos resíduos de guanina 58 : estudos por voltametria cíclica indicaram que pequenas diferenças na acessibilidade do solvente, próximo à região dos resíduos de guanina, podem ser úteis para o seqüenciamento de DNA ou no mapeamento quantitativo de estruturas complexas de ácidos nucléicos.…”

Section: Figura 5 Representação Esquemática Da Adsorção De Dna Na Suunclassified

Eletrodos modificados com DNA: uma nova alternativa em eletroanálise

1999

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DIVULGAÇÃO INTRODUÇÃOO comportamento eletroquímico do DNA e os efeitos de sua adsorção sobre diversos tipos de eletrodos vêm sendo pesquisados há quase 40 anos [1][2][3][4][5] . A maioria destes estudos está centralizada na análise e identificação estrutural de ácidos nucléicos e a relação entre o comportamento polarográfico do DNA e sua conformação em solução 6 , mostrando as diferenças de resposta eletroquímica existentes entre DNA nativo (doublestrand, dsDNA), desnaturado (single-strand, ssDNA) e degradado 7,8 , utilizando-se principalmente eletrodos de mercúrio.O uso de eletrodos sólidos estendeu de forma significativa o campo de aplicação dos métodos eletroquímicos para análi-se de ácidos nucléicos. Diversas são as possibilidades de emprego dos eletrodos modificados com DNA, como a determinação de espécies carcinogênicas e de fármacos, entretanto biossensores de DNA têm sido desenvolvidos para a análise e determinação de seqüências de bases do DNA com intuito de diagnóstico de doenças.Este artigo apresenta uma visão geral da evolução do estudo e determinação eletroquímica de ácidos nucléicos utilizando-se eletrodos de mercúrio, além dos recentes avanços no desenvolvimento de eletrodos modificados com DNA aplicados à aná-lise e estudo do mecanismo de ação biológica de fármacos, determinação de espécies de interesse ambiental e na identificação e seqüenciamento genético. COMPORTAMENTO ELETROQUÍMICO DO DNAOs fenômenos de adsorção de ácidos nucléicos naturais e biossintéticos foram estudados, predominantemente, por polarografia a.c. 9,10 . Em soluções neutras, levemente alcalinas e moderada força iônica, ambos DNAs, nativo e desnaturado, podem ser adsorvidos na faixa de potencial entre 0 e -1,0 V, utilizando-se eletrodo de mercúrio. Nesta faixa de potencial todos os constituintes do DNA -resíduos de base, desoxirribose e grupo fosfato -podem ser envolvidos no processo de adsorção 2,8,9 . A Figura 1a 8 apresenta os diversos sinais tensamétricos possíveis de serem obtidos, pelos constituintes dos ácidos nucléicos, envolvendo o processo de adsorção/dessorção.O pico 1, próximo de -1,2 V, produzido tanto pelo DNA nativo quanto pelo desnaturado indica a dessorção ou reorientação segmentada de regiões helicoidais adsorvida por meio do esqueleto açúcar-fosfato. Em determinadas condições o dsDNA produz o pico 2 devido à abertura das regiões da dupla-fita. O pico 3, produzido apenas pelo ssDNA, corresponde ao processo de dessorção de segmentos adsorvidos, preferencialmente, através das bases 8 . Em determinadas condições, como baixa força iônica, o dsDNA apresenta o pico designado como 0. Este pico foi atribuído à adsorção eletrostática de ácidos nucléicos a potenciais negativos e dessorção/reorientação da molécula de DNA próxi-ma ao potencial de carga zero 8 . O contato prolongado do DNA nativo com a superfície de eletrodos pode provocar desnaturação da molécula motivada pela força de repulsão entre a superfície do eletrodo e os grupos fosfato negativamente carregados [11][12][13] [Ref. 8]

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Electrochemical Measurement of the Solvent Accessibility of Nucleobases Using Electron Transfer between DNA and Metal Complexes

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Photoelectrochemical DNA Sensor for the Rapid Detection of DNA Damage Induced by Styrene Oxide and the Fenton Reaction

Photoelectrochemical DNA Sensor for the Rapid Detection of DNA Damage Induced by Styrene Oxide and the Fenton Reaction

Intercalative Stacking: A Critical Feature of DNA Charge-Transport Electrochemistry

Eletrodos modificados com DNA: uma nova alternativa em eletroanálise

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