Thermodynamic and structural study of the interaction between Ru(bpy)2dppz 2+ and DNA

par Fuchao Jia

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Jean-Pierre Münch.

Soutenue le 22-11-2013

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg) , en partenariat avec Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Philippe Turek.

Le jury était composé de Pascal Hebraud, Wilfried Grange.

Les rapporteurs étaient Xingguo Liang, Ming Li.


  • Résumé

    Dans une première partie, nous mesurons l'affinité de l'interaction entre [Ru(pby)2dppz]2+ et l'ADN en utilisant la luminescence induite lors de la complexation. Nous étudions l'évolution de l'affinité lorsque la force ionique de la solution augmente. Dans une deuxième partie, nous modifions les extrémités d'un double brin d'ADN en y greffant des fluorophores. De la mesure de transfert d'énergie non-radiative entre ces fluorophores, nous étudions l'évolution de la longueur du complexe. Nous effectuons un dosage d'un double brin de 15 paires de bases d'ADN par le complexe ruthéné. Nous nous servons de la luminescence induite par l'intercalation du groupement dppz. Cependant, l'incrément de luminescence par groupement intercalé n'est pas connu, et nous ne pouvons pas le mesurer en saturant le brin d'ADN. Nous utilisons alors une technique mise au point par Nishida [Method for Measuring the Binding of Small Molecules to Proteins from Binding-Induced Alterations of Physical-Chemical Properties], dans laquelle deux titrations de deux solutions d'ADN de deux concentrations différentes sont effectuées. En utilisant le fait que, lorsque deux solutions d'ADN complexé par le composé ruthéné, possèdent la même luminescence par paire de base , le taux de complexation de ces deux solutions doit être le même, nous pouvons alors déterminer, sans hypothèse supplémentaire, le taux de complexation de l'ADN. De l'évolution de ce taux en fonction avec la concentration de ligand, nous déduisons son affinité pour l'ADN. Nous étudions maintenant le changement de longueur d'un double brin d'ADN de 15 paires de bases, modifié à ses deux extrémités par deux fluorophores : Alexa488 et Alexa568. Lorsque Alexa 488 est porté dans un état excité, il peut se désexciter en transférant de l'énergie de manière non-radiative à Alexa568, qui se désexcite alors en émettant des photons de plus faibles énergie que ceux émis par Alexa488. L'efficacité de ce transfert d'énergie peut être quantifié à partir de la mesure des intensités émises à basse et haute énergie. Elle dépend a priori de l'efficacité couplage (et en conséquence de la distance) entre les deux fluorophores. Nous effectuons des mesures de temps de vie des états excités de chacun des fluorophores. Nous avons observé que l'addition de ligand a pour conséquence une forte inhibition quenching des fluorophores. De l'analyse de l'évolution du temps de vie du fluorophore donneur d'une part et de celui du fluorophore accepteur d'autre part, nous déduisons l'évolution de l'efficacité du transfert d'énergie en fonction de la concentration de ligand. Nous confrontons les résultats obtenus par chacune de ces analyses, et en déduisons finalement, en nous servant de l'analyse de l'équilibre effectuée dans la première partie, l'évolution de la longueur de la chaîne en fonction du taux de complexation

  • Titre traduit

    Interaction entre (Ru(bpy)2dppz(2+ et un brin court d'ADN : étude thermodynamique et structurale


  • Résumé

    This Ph.D thesis is mainly divided in to 2 parts. The first part is luminescence study, we are interested in the affinity constant (Ka) change under different salinity environments when the complexation of [Ru(bpy)2dppz]2+-DNA arrive equilibrium. In the second part, we focus our attention on the kinetic study by fluorescence which comes from the fluorophore. The distance change between 2 fluorophores is explored when [Ru(bpy)2dppz]2+ intercalates into DNA, which lead to the variation of DNA conformation. Any changes in DNA conformation will be reflected by the efficiency change of fluorescence resonance energy transfer (FRET). Quantitative analysis on the Ru(bpy)2dppz]2+-DNA interaction will be built in the second part. In the first part, the interaction of [Ru(bpy)2dppz]2+ with DNA is studied in a wide range of DNA / [Ru(bpy)2dppz]2+ ratios by using the luminescence signal which comes from complex. The affinity constant (Ka) is explored under different chloride sodium concentration (NaCl=[0, 100 mM]), when the complexation reaches equilibrium. Nishida method is employed to compute the value of Ka without any hypothesis. The value of affinity constant is at the level scale of 106 M-1 which is basically identical to the other researcher’s results. Ka decreased with increasing the concentration of NaCl as we expected. Quantitative analysis on the Ru(bpy)2dppz]2+-DNA interaction will be done in the second part. DNA was modified by different fluorophores at its extremities, 5’ end and 3’ end were labeled with alexa488 (seen as donor) and alexa568 (seen as acceptor), respectively. Our goal is to study the efficiency change of FRET and the change of distance between 2 fluorophores with fluorescence technique when one Ruthenium molecule intercalate in to DAN base pair. Two methods will be employed to achieve our idea. One is that the efficiency of FRET can be computed from the donor emission (alexa488), the other is the efficiency of FRET can be calculated from the acceptor emission (acceptor), the efficiency of FRET is highly dependent on the distance of 2 fluorophores (), any changes in distance will cause the efficiency change. The FRET efficiency decreased when the [Ru(bpy)2dppz]2+ intercalated into DNA structure, which also meant that the distance between 2 fluorohore increased.


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