In an effort to design efficient platform for siRNA delivery, we combine all atom classical and quantum simulations to study the binding of small interfering RNA (siRNA) by pristine single wall carbon nanotube (SWCNT). Our results show that siRNA strongly binds to SWCNT surface via unzipping its base-pairs and the propensity of unzipping increases with the increase in the diameter of the SWCNTs. The unzipping and subsequent wrapping events are initiated and driven by van der Waals interactions between the aromatic rings of siRNA nucleobases and the SWCNT surface. However, molecular dynamics (MD) simulations of double strand DNA (dsDNA) of the same sequence show that the dsDNA undergoes much less unzipping and wrapping on the SWCNT in the simulation time scale of 70 ns. This interesting difference is due to smaller interaction energy of thymidine of dsDNA with the SWCNT compared to that of uridine of siRNA, as calculated by dispersion corrected density functional theory (DFT) methods. After the optimal binding of siRNA to SWCNT, the complex is very stable which serves as one of the major mechanisms of siRNA delivery for biomedical applications. Since siRNA has to undergo unwinding process with the effect of RNA-induced silencing complex, our proposed delivery mechanism by SWCNT possesses potential advantages in achieving RNA interference.

1.
C.
Napoli
,
C.
Lemieux
, and
R.
Jorgensen
,
Plant Cell
2
,
279
(
1990
).
2.
A.
Fire
,
S. Q.
Xu
,
M. K.
Montgomery
,
S. A.
Kostas
,
S. E.
Driver
, and
C. C.
Mello
,
Nature (London)
391
,
806
(
1998
).
3.
Y.
Tomari
,
C.
Matranga
,
B.
Haley
,
N.
Martinez
, and
P. D.
Zamore
,
Science
306
,
1377
(
2004
).
4.
P. D.
Zamore
and
B.
Haley
,
Science
309
,
1519
(
2005
).
5.
G.
Hutvagner
and
P. D.
Zamore
,
Curr. Opin. Genet. Dev.
12
,
225
(
2002
).
6.
M.
Ghildiyal
and
P. D.
Zamore
,
Nat. Rev. Genet.
10
,
94
(
2009
).
7.
P. D.
Zamore
,
T.
Tuschl
,
P. A.
Sharp
, and
D. P.
Bartel
,
Cell
101
,
25
(
2000
).
8.
G.
Meister
and
T.
Tuschl
,
Nature (London)
431
,
343
(
2004
).
9.
A.
Tsubouchi
,
J.
Sakakura
,
R.
Yagi
,
Y.
Mazaki
,
E.
Schaefer
,
H.
Yano
, and
H.
Sabe
,
J. Cell Biol.
159
,
673
(
2002
).
10.
Y. Z.
Huang
,
M. W.
Zang
,
W. C.
Xiong
,
Z. J.
Luo
, and
L.
Mei
,
J. Biol. Chem.
278
,
1108
(
2003
).
11.
V.
Vasumathi
and
P. K.
Maiti
,
Macromolecules
43
,
8264
(
2010
).
12.
B.
Nandy
and
P. K.
Maiti
,
J. Phys. Chem. B
115
,
217
(
2011
).
13.
P. K.
Maiti
and
B.
Bagchi
,
Nano Lett.
6
,
2478
(
2006
).
14.
S. M.
Elbashir
,
J.
Harborth
,
W.
Lendeckel
,
A.
Yalcin
,
K.
Weber
, and
T.
Tuschl
,
Nature (London)
411
,
494
(
2001
).
15.
D.
Yang
,
F.
Buchholz
,
Z. D.
Huang
,
A.
Goga
,
C. Y.
Chen
,
F. M.
Brodsky
, and
J. M.
Bishop
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
99
,
9942
(
2002
).
16.
Q.
Lu
,
J. M.
Moore
,
G.
Huang
,
A. S.
Mount
,
A. M.
Rao
,
L. L.
Larcom
, and
P. C.
Ke
,
Nano Lett.
4
,
2473
(
2004
).
17.
Z.
Liu
,
M.
Winters
,
M.
Holodniy
, and
H. J.
Dai
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
2023
(
2007
).
18.
Z.
Liu
,
K.
Chen
,
C.
Davis
,
S.
Sherlock
,
Q. Z.
Cao
,
X. Y.
Chen
, and
H. J.
Dai
,
Cancer Res.
68
,
6652
(
2008
).
19.
Z.
Liu
,
S.
Tabakman
,
K.
Welsher
, and
H. J.
Dai
,
Nano Res.
2
,
85
(
2009
).
20.
M. C.
Morris
,
P.
Vidal
,
L.
Chaloin
,
F.
Heitz
, and
G.
Divita
,
Nucleic Acids Res.
25
,
2730
(
1997
).
21.
F.
Simeoni
,
M. C.
Morris
,
F.
Heitz
, and
G.
Divita
,
Nucleic Acids Res.
31
,
2717
(
2003
).
22.
I.
Puebla
,
S.
Esseghir
,
A.
Mortlock
,
A.
Brown
,
A.
Crisanti
, and
W.
Low
,
J. Biotechnol.
105
,
215
(
2003
).
23.
Y.
Minakuchi
,
F.
Takeshita
,
N.
Kosaka
,
H.
Sasaki
,
Y.
Yamamoto
,
M.
Kouno
,
K.
Honma
,
S.
Nagahara
,
K.
Hanai
,
A.
Sano
,
T.
Kato
,
M.
Terada
, and
T.
Ochiya
,
Nucleic Acids Res.
32
(
2004
).
24.
N. S.
Lee
,
T.
Dohjima
,
G.
Bauer
,
H. T.
Li
,
M. J.
Li
,
A.
Ehsani
,
P.
Salvaterra
, and
J.
Rossi
,
Nature Biotechnol.
20
,
500
(
2002
).
25.
J. M.
Jacque
,
K.
Triques
, and
M.
Stevenson
,
Nature (London)
418
,
435
(
2002
).
26.
D. H.
Kim
and
J. J.
Rossi
,
Nat. Rev. Genet.
8
,
173
(
2007
).
27.
J.
Kurreck
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
1378
(
2009
).
28.
P. D.
Zamore
and
N.
Aronin
,
Nat. Med.
9
,
266
(
2003
).
29.
B.
Urban-Klein
,
S.
Werth
,
S.
Abuharbeid
,
F.
Czubayko
, and
A.
Aigner
,
Gene Ther.
12
,
461
(
2005
).
30.
D.
Bumcrot
,
M.
Manoharan
,
V.
Koteliansky
, and
D. W. Y.
Sah
,
Nat. Chem. Biol.
2
,
711
(
2006
).
31.
N. W. S.
Kam
,
Z. A.
Liu
, and
H. J.
Dai
,
Angew. Chem., Int. Ed.
45
,
577
(
2006
).
32.
Z. H.
Zhang
,
X. Y.
Yang
,
Y.
Zhang
,
B.
Zeng
,
Z. J.
Wang
,
T. H.
Zhu
,
R. B. S.
Roden
,
Y. S.
Chen
, and
R. C.
Yang
,
Clin. Cancer Res.
12
,
4933
(
2006
).
33.
J.
DeRouchey
,
C.
Schmidt
,
G. F.
Walker
,
C.
Koch
,
C.
Plank
,
E.
Wagner
, and
J. O.
Radler
,
Biomacromolecules
9
,
724
(
2008
).
34.
M.
Zheng
,
A.
Jagota
,
E. D.
Semke
,
B. A.
Diner
,
R. S.
McLean
,
S. R.
Lustig
,
R. E.
Richardson
, and
N. G.
Tassi
,
Nature Mater.
2
,
338
(
2003
).
35.
M.
Zheng
,
A.
Jagota
,
M. S.
Strano
,
A. P.
Santos
,
P.
Barone
,
S. G.
Chou
,
B. A.
Diner
,
M. S.
Dresselhaus
,
R. S.
McLean
,
G. B.
Onoa
,
G. G.
Samsonidze
,
E. D.
Semke
,
M.
Usrey
, and
D. J.
Walls
,
Science
302
,
1545
(
2003
).
36.
S. G.
Chou
,
H. B.
Ribeiro
,
E. B.
Barros
,
A. P.
Santos
,
D.
Nezich
,
G. G.
Samsonidze
,
C.
Fantini
,
M. A.
Pimenta
,
A.
Jorio
,
F.
Plentz
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Dresselhaus
,
R.
Saito
,
M.
Zheng
,
G. B.
Onoa
,
E. D.
Semke
,
A. K.
Swan
,
M. S.
Unlu
, and
B. B.
Goldberg
,
Chem. Phys. Lett.
397
,
296
(
2004
).
37.
R. R.
Johnson
,
A. T. C.
Johnson
, and
M. L.
Klein
,
Nano Lett.
8
,
69
(
2008
).
38.
X.
Zhao
and
J. K.
Johnson
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
10438
(
2007
).
39.
D. A.
Case
,
T. A.
Darden
,
T. E.
Cheatham
 III
,
C. L.
Simmerling
,
J.
Wang
,
R. E.
Duke
,
R.
Luo
,
K. M.
Merz
,
D. A.
Pearlman
,
M.
Crowley
,
R. C.
Walker
,
W.
Zhang
,
B.
Wang
,
S.
Hayik
,
A.
Roitberg
,
G.
Seabra
,
K. F.
Wong
,
F.
Paesani
,
X.
Wu
,
S.
Brozell
,
V.
Tsui
,
H.
Gohlke
,
L.
Yang
,
C.
Tan
,
J.
Mongan
,
V.
Hornak
,
G.
Cui
,
P.
Beroza
,
D. H.
Mathews
,
C.
Schafmeister
,
W. S.
Ross
, and
P. A.
Kollman
, AMBER9, University of California, San Francisco,
2006
.
40.
Y.
Duan
,
C.
Wu
,
S.
Chowdhury
,
M. C.
Lee
,
G. M.
Xiong
,
W.
Zhang
,
R.
Yang
,
P.
Cieplak
,
R.
Luo
,
T.
Lee
,
J.
Caldwell
,
J. M.
Wang
, and
P.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
24
,
1999
(
2003
).
41.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
42.
A.
Perez
,
I.
Marchan
,
D.
Svozil
,
J.
Sponer
,
T. E.
Cheatham
,
C. A.
Laughton
, and
M.
Orozco
,
Biophys. J.
92
,
3817
(
2007
).
43.
P.
Banas
,
D.
Hollas
,
M.
Zgarbova
,
P.
Jurecka
,
M.
Orozco
,
T. E.
Cheatham
,
J.
Sponer
, and
M.
Otyepka
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
3836
(
2010
).
44.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3682780 for parmbsc0 vs ff99, optimized geometry for ab initio calculations and snapshots of dsDNA on (6, 6) CNT.
45.
J.
Romanowska
,
J. A.
McCammon
, and
J.
Trylska
,
PLOS Comput. Biol.
7
,
e1002099
(
2011
).
46.
I.
Besseova
,
M.
Otyepka
,
K.
Reblova
, and
J.
Sponer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
10701
(
2009
).
47.
K.
Reblova
,
Z.
Strelcova
,
P.
Kulhanek
,
I.
Besseova
,
D. H.
Mathews
,
K. Van
Nostrand
,
I.
Yildirim
,
D. H.
Turner
, and
J.
Sponer
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
910
(
2010
).
48.
Y. R.
Yuan
,
Y.
Pei
,
H. Y.
Chen
,
T.
Tuschl
, and
D. J.
Patel
,
Structure (London)
14
,
1557
(
2006
).
49.
B.
Mukherjee
,
P. K.
Maiti
,
C.
Dasgupta
, and
A. K.
Sood
,
J. Chem. Phys.
126
,
124704
(
2007
).
50.
T.
Darden
,
D.
York
, and
L.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
98
,
10089
(
1993
).
51.
J. P.
Ryckaert
,
G.
Ciccotti
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Phys.
23
,
327
(
1977
).
52.
H. J. C.
Berendsen
,
J. P. M.
Postma
,
W. F.
Vangunsteren
,
A.
Dinola
, and
J. R.
Haak
,
J. Chem. Phys.
81
,
3684
(
1984
).
53.
G.
Schaftenaar
and
J. H.
Noordik
,
J. Comput.-Aided Mol. Des.
14
,
123
(
2000
).
54.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
 et al, GAUSSIAN09, Gaussian, Inc., Wallingford, CT,
2009
.
55.
J. D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
128
,
084106
(
2008
).
56.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
(
1970
).
57.
B.
Jayaram
,
K. J.
McConnell
,
S. B.
Dixit
, and
D. L.
Beveridge
,
J. Comput. Phys.
151
,
333
(
1999
).
58.
B.
Jayaram
,
Y.
Liu
, and
D. L.
Beveridge
,
J. Chem. Phys.
109
,
1465
(
1998
).
59.
B.
Jayaram
,
D.
Sprous
, and
D. L.
Beveridge
,
J. Phys. Chem. B
102
,
9571
(
1998
).
60.
S. T.
Lin
,
M.
Blanco
, and
W. A.
Goddard
,
J. Chem. Phys.
119
,
11792
(
2003
).
61.
P. H.
Berens
,
D. H. J.
Mackay
,
G. M.
White
, and
K. R.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
79
,
2375
(
1983
).
62.
T. A.
Pascal
,
W. A.
Goddard
, and
Y.
Jung
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
11794
(
2011
).
63.
C. G.
Baumann
,
S. B.
Smith
,
V. A.
Bloomfield
, and
C.
Bustamante
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
6185
(
1997
).
64.
J. R.
Wenner
,
M. C.
Williams
,
I.
Rouzina
, and
V. A.
Bloomfield
,
Biophys. J.
82
,
3160
(
2002
).
65.
Z. J.
Tan
and
S. J.
Chen
,
Biophys. J.
90
,
1175
(
2006
).
66.
C. W.
Lam
,
J. T.
James
,
R.
McCluskey
, and
R. L.
Hunter
,
Toxicol. Sci.
77
,
126
(
2004
).
67.
G.
Jia
,
H. F.
Wang
,
L.
Yan
,
X.
Wang
,
R. J.
Pei
,
T.
Yan
,
Y. L.
Zhao
, and
X. B.
Guo
,
Environ. Sci. Technol.
39
,
1378
(
2005
).
68.
D. X.
Cui
,
F. R.
Tian
,
C. S.
Ozkan
,
M.
Wang
, and
H. J.
Gao
,
Toxicol. Lett.
155
,
73
(
2005
).
69.
D.
Voet
and
J. G.
Voet
,
Biochemistry
(
Wiley
,
New York
,
1995
).
70.
J.
Sponer
,
P.
Jurecka
, and
P.
Hobza
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
10142
(
2004
).
71.
N.
Varghese
,
U.
Mogera
,
A.
Govindaraj
,
A.
Das
,
P. K.
Maiti
,
A. K.
Sood
, and
C. N. R.
Rao
,
Chemphyschem
10
,
206
(
2009
).
72.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.