Polymorphism of biological helices: elongation- and counterion-mediated effects

This work is focused on the analysis of the self-assembly mechanism of biological helices, in particular DNA fragments with dfferent length and Guanosine 5- monophosphate struc- tures (G-quadruplex) in presence of some ions, in this case Silver and Lithium. Short DNA are very attractive for their possible applications in drug delivery and for the DNA origami used as possible template for nanomachine and 3D smart materials. Instead G- quadruplex is the supramolecular organization of G-quartets, planar rings constituted by four GMP linked by Hoogsteen hydrogen bonds. The GMP tetrads stack one on the top of another and the stacking is stabilized by the presence of monovalent cation (Na+, K+, etc). G-quadruplexes are interesting because G-rich sequences can be found in telom- eres (the single-stranded DNA regions at the end of chromosomes). The formation of G-quadruplexes involves a generally reduction of the effiency of primer extension by telomerase; this enzyme extends the telomeric sequences in chromosome and it is expressed in high level in cancer cells allowing them to replicate indefinitely and bringing to an immortalization condition that leads to the carcinogenesis process. Therefore the interest in G-Quadruplexes is linked with the several hypotheses on possible anti-cancer activities. On the other side G-quadruplex can be used for nanoelectronics. They were in fact proposed as building blocks of molecular nanowires because the higher structural rigidity and stability under various conditions, increasing the probability of charge mi- gration through the G-wires. In this thesis, it is presented an analysis on the DNA and G-quadruplex structures by Small Angle X-Ray and Neutron Scattering (SAXS and SANS), X-Ray and Neutron Dffraction (XRD and ND) and Polarized Optical Microscopy experiments. In particular for the G-quadruplex it is highlight the formation of a smectic LC phase, dfferent from the usually found hexagonal and cholesteric phase.

Questo lavoro centrato sull'analisi dell'auto-assemblaggio di eliche biologiche, in particolare frammenti di DNA con diverse lunghezze e strutture di Guanosina 5'-monofosfato(G-quadruplessi) in presenza di alcuni ioni, in questo caso argento e litio. I DNA corti sono molto attrattivi per le loro applicazioni nel drug delivery e per il DNA origami come possibile modello per nanomacchine e materiali 3D intelligenti. Il G-quadruplesso rappresenta l'organizzazione supramolecolare dei G-quartetti, anelli planari costituiti da quattro GMP legate tramite legame idrogeno di Hoogsteen. Le tetradi di GMP si impilano una sull'altra e l'impilamento è stabilizzato dalla presenza di cationi monovalenti (Na+,K+, ecc). I G-quadruplessi sono interessanti poichè sequenze ricche di G si possono trovare nei telomeri (la regione a singolo filamento all'estremità dei cromosomi). La formazione dei G-quadruplessi comporta una generale riduzione nell'estensione dei primer da parte della telomerasi; questo enzima che estende le sequenze telomeriche nei cromosomi è espresso ad alti livelli nelle cellule tumorali permettendo loro di replicarsi indefinitamente portando all'immortalizzazione che conduce al processo di carcinogenesi. Quindi l'interesse per i G-quadruplessi è legato alla loro possibile attivitti-cancro. Dall'altro lato i G-quadruplessi possono essere usati per la nanoelettonica. Infatti sono stati proposti come basi per nanofilamenti molecolari poichè l'elevata rigidità strutturale e stabilità in varie condizioni, aumenta la migrazione di cariche attrverso il G-filamento. In questa tesi viene presentata l'analisi su DNA e G-quadruplessi tramite esperimenti di scattering a piccolo angolo di raggi X e neutroni (SAXS e SANS), diffrazione di raggi X e neutroni (XRD e ND) e microscopia ottica a luce polarizzata. In particolare per i G-quadruplessi è stata evidenziata la formazione della fase LC smettica, diversa dalle fasi esagonale e colesterica solitamente trovate.