A study of the structure of highly concentrated phases of DNA by X-ray diffraction

In aqueous solution, pure DNA forms multiple liquid crystalline and crystalline phases whose nature depends on the polymer concentration. The following phase sequence is observed when the DNA concentration increases : isotropic $\to$ cholesteric $\to$ columnar hexagonal $\to $ crystalline phases. The aim of this work is to obtain structural information about the highly concentrated phases formed by 500 Å long DNA molecules — in particular about the crystalline phases — by means of X-ray diffraction. We show that in the two-dimensional (2D) ordered hexagonal phase a longitudinal order progressively appears between neighbouring DNA helices leading continuously to a three-dimensional (3D) ordered hexagonal phase. For higher concentrations the specimens undergo a discontinuous transition towards an orthorhombic phase. The characteristic structural parameters of these different phases have been determined. An important result is that the number of nucleotides per helix turn decreases continuously, when the DNA concentration increases, from $10.3\pm 0.1$ at the cholesteric $\to$ hexagonal transition down to $9\pm 0.1$ without any apparent change of the B conformation of the molecules. L'ADN donne en solution aqueuse concentrée plusieurs phases cristallines liquides et cristallines. Quand la concentration en ADN augmente, on observe la séquence de phases suivante : isotrope $\to$ cholestérique $\to$ colonnaire hexagonale $\to$ phases cristallines. Le but de ce travail était d'obtenir par diffraction des rayons X, des informations structurales sur les phases très concentrées — en particulier sur les phases cristallines — formées par des fragments d'ADN de 500 Å de longueur. Nous avons montré que dans la phase hexagonale ordonnée à 2 dimensions, un ordre longitudinal entre molécules d'ADN voisines s'installe progressivement, et donne lieu à une phase hexagonale ordonnée à 3 dimensions. Quand la concentration en ADN croît encore, on observe une transition discontinue vers une phase de symétrie orthorhombique. Les paramètres structuraux caractéristiques de ces différentes phases ont été déterminés. Un résultat important est que le nombre de nucléotides par tour d'hélice décroît continûment, quand la concentration en ADN augmente, depuis 10,3 $\pm$ 0,1 à la transition cholestérique $\to$ hexagonale, jusqu'à 9 $\pm$ 0,1 pour les échantillons les plus concentrés ; par ailleurs, la conformation des molécules d'ADN semble ne subir aucun changement et reste d