DNA基分子導(dǎo)線構(gòu)筑基元的設(shè)計(jì)及相關(guān)性質(zhì)理論研究.pdf

1、關(guān)于天然DNA導(dǎo)電性的諸多研究給出了相互不同甚至是相互矛盾的結(jié)果:在不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)定中,DNA可以是絕緣體,半導(dǎo)體,導(dǎo)體甚至是超導(dǎo)體。實(shí)驗(yàn)證明,天然DNA的導(dǎo)電性強(qiáng)烈地依賴于序列、周圍水環(huán)境、與電極連接方式等內(nèi)在和外界條件,這也說明,天然DNA作為納米分子導(dǎo)線的應(yīng)用跟實(shí)際還有很大的距離。于是,近年來很多研究集中與DNA的修飾和性質(zhì)改進(jìn)工作,比如用人為設(shè)計(jì)的類似物替代DNA內(nèi)部的嘌呤和嘧啶堿基(電荷是通過堿基間的堆積作用進(jìn)行遷移的)。其中,

2、擴(kuò)環(huán)堿基和金屬介導(dǎo)堿基對(duì)是其中比較突出的兩種修飾方法。建立在前人工作的基礎(chǔ)上,圍繞DNA修飾和性質(zhì)改進(jìn),我們開展了一系列有意義的工作,取得了一些有價(jià)值的研究成果。主要成果和創(chuàng)新簡(jiǎn)述如下:
　　 (1)多Cu介導(dǎo)堿基對(duì)G3CuC和A2CuT的理論設(shè)計(jì)和性質(zhì)研究:相關(guān)研究工作表明,經(jīng)過合適的金屬修飾,DNA能夠從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體甚至是導(dǎo)體,這為設(shè)計(jì)DNA基分子導(dǎo)線打開了一個(gè)視角。后續(xù)關(guān)于Metal-base和Metal-DNA的研

3、究也如火如荼地展開。已有研究都是關(guān)于單個(gè)金屬修飾堿基對(duì)的,得到了很讓人受鼓舞的結(jié)果。在前人工作的基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)想:如果采用多個(gè)金屬修飾堿基對(duì),是否應(yīng)該取得更強(qiáng)的修飾效果呢?于是,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)多Cu修飾堿基對(duì)G3CuC和A2CuT,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和深入的討論。結(jié)構(gòu)上,G3CuC和A2CuT具有與天然Watson-Crick堿基對(duì)GC和AT相似的幾何結(jié)構(gòu),而且尺寸有所擴(kuò)大,大約1.0(A),這為構(gòu)建穩(wěn)定的DNA雙螺旋

4、結(jié)構(gòu)提供了良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。更為重要的是,它們的HOMO-LUMO能隙和電離勢(shì)都降低了,提高了空穴產(chǎn)生和遷移能力;同時(shí)它們中的電子橫向傳導(dǎo)能力得到了增強(qiáng),這很可能會(huì)增強(qiáng)電荷在DNA中的縱向傳導(dǎo)。這些都使得它們成為具有良好導(dǎo)電性的DNA基納米線的優(yōu)秀構(gòu)筑基元。有趣的是,在許多方面G3CuC和A2CuT的關(guān)系類似于天然堿基對(duì)GC和AT之間的關(guān)系,這為定向設(shè)計(jì)DNA基分子導(dǎo)線提供了一定的信息。G3CuC具有所有閉殼層金屬修飾堿基對(duì)中最小的HOM

5、O-LUMO能隙?？梢灶A(yù)見,Cum-DNA的導(dǎo)電性應(yīng)該比天然相同序列的DNA有很大的改進(jìn)?？梢哉f,我們的研究為以后金屬修飾堿基對(duì)和M-DNA的研究工作打開了一個(gè)新的視角。
　　 (2)鳥嘌呤G和腺嘌呤A的外擴(kuò)環(huán)修飾。人為設(shè)計(jì)堿基的其中一類是環(huán)擴(kuò)大堿基,是通過一個(gè)芳香環(huán)和天然的嘌呤或嘧啶堿基融合而成的,比如x-base,y-base,yy-base和其他雜環(huán)擴(kuò)展堿基等。相關(guān)的研究表明,這些擴(kuò)環(huán)堿基都能選擇性地與其他堿基配對(duì)并能夠形

6、成穩(wěn)定的雙螺旋DNA結(jié)構(gòu)。更為重要的是,由于具有擴(kuò)大的共軛區(qū)域,它們的HOMO-LUMO能隙、電離勢(shì)相對(duì)于天然的堿基減小了,這將大大提高修飾DNA的空穴產(chǎn)生能力和遷移能力,有利于設(shè)計(jì)DNA基分子導(dǎo)線。但是,應(yīng)該指出的是,相對(duì)于天然的堿基,這些擴(kuò)展堿基的尺寸都有所擴(kuò)大。因此,當(dāng)它們部分取代天然堿基時(shí),戊糖-磷酸骨架結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生一定程度的扭曲,破壞DNA的穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。這對(duì)設(shè)計(jì)DNA堿基替代物提出了更高的要求——盡可能地改善它們電子性質(zhì)同

7、時(shí)還要保持它們的天然尺寸。巧合的是,Saito等人設(shè)計(jì)了一個(gè)空穴傳導(dǎo)能力很高的DNA導(dǎo)線——將其中的腺嘌呤A替換為其衍生物——一個(gè)芳香環(huán)在N7-C8的位置并到A的芳香體系中。研究顯示,這些衍生物的HOMO-LUMO能隙和電離勢(shì)均低于天然腺嘌呤。它啟發(fā)我們重新考慮是否有一種新的方法來提高DNA堿基的電子性能,同時(shí)保持它們的天然尺寸。我們認(rèn)為,將一個(gè)芳香環(huán)由外部并入堿基體系就是一個(gè)很好的方法。在此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一些鳥嘌呤G和腺嘌呤A的堿基衍生

8、物——在N7-C8的位置融合/拼入一個(gè)芳香環(huán),得到了benzodeazapurine(BDG和BDA),H2b-methoxy-substituted-benzodeazapurine(MDG和MDA)和C2b-N-substituted-benzodeazapurine(PDG和PDA);然后采用理論方法對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究和詳細(xì)的討論。跟事先預(yù)測(cè)的一樣,所有的*G和*A(代表G和A的類似物)都是天然的嘌呤尺寸,為它

9、們更隨意地插入DNA改進(jìn)其電子性質(zhì)提供了很好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。由于母體結(jié)構(gòu)沒變,所以它們H鍵區(qū)域的靜電勢(shì)跟天然G和A是一樣的,因此它們應(yīng)該對(duì)C和T具有很強(qiáng)的堿基配對(duì)選擇性。就電子性能而言,*G和*A及其堿基對(duì)的HOMO-LUMO能隙和電離勢(shì)都有很大程度的減小——也就是說,由此構(gòu)建的DNA的能帶間隙將小于同序列的天然DNA,即更好的導(dǎo)電性,而且產(chǎn)生空穴和空穴的傳導(dǎo)能力也更好。就三種不同的修飾方法而言,最好的是MDG和MDA,其次是BDG和BDA