氧化硅及納米金表面DNA探針的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、近年來,隨著納米生物技術(shù)的快速發(fā)展,以DNA微陣列、分子信標(biāo)和納米復(fù)合材料為代表的新型DNA分子檢測手段正被越來越多地應(yīng)用于疾病診斷及食品安全等與生命息息相關(guān)的重要領(lǐng)域。為此,深入了解固液界面上固定的DNA探針的構(gòu)象變化行為不僅對于理解和掌握這些新型DNA檢測技術(shù)至關(guān)重要,同時對于設(shè)計(jì)、優(yōu)化DNA分子識別界面從而更好地應(yīng)用這類核酸檢測技術(shù)也具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。然而到目前為止,人們對于固液界面上DNA探針的結(jié)構(gòu)變化卻所知甚少。

2、r>　　 盡管目前已有一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段可以對固液界面上固定之DNA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步表征,然而據(jù)此得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還無法提供DNA分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的詳細(xì)情況。因此,為了彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)手段在這方面存在的不足,也為了從理論層面更好地解釋DNA檢測系統(tǒng)于固液界面的復(fù)雜工作機(jī)理,本論文通過分子動力學(xué)模擬系統(tǒng)研究了不同構(gòu)型之DNA探針在氧化硅平面及納米金表面的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)特性；建立了一整套行之有效的模型構(gòu)建方法與模擬實(shí)施方案,將DNA探針與氧化硅及

3、納米金等無機(jī)材料結(jié)合,在CHARMM力場的統(tǒng)一作用下進(jìn)行有效的分子動力學(xué)模擬研究。結(jié)果表明本研究采用的模擬方法可以從原子水平對分子識別界面上DNA探針的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)變化過程進(jìn)行全面而細(xì)致的觀測。因此本研究對于更好地應(yīng)用DNA微陣列與納米金分子識別技術(shù)具有理論指導(dǎo)意義,對于推廣分子動力學(xué)理論在納米生物技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也具有借鑒作用。以下是本論文的主要研究內(nèi)容及成果:
　　 1.針對DNA微陣列在核酸檢測方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由線型單鏈

4、DNA探針層、羥基修飾層及氧化硅平面基底三部分組成的分子識別界面模型,在此基礎(chǔ)上,采用分子動力學(xué)模擬的方法研究了位于羥基表面修飾層上的線型單鏈DNA探針在Na+和Mg2+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)行為。模擬結(jié)果顯示位于分子識別界面探針層中間位置之線型單鏈DNA探針的運(yùn)動變化會受到外圍DNA探針空間位阻及靜電作用的一定限制；處于中間位置的DNA探針在Mg2+溶液環(huán)境下會發(fā)生較為顯著的彎曲,而對界面上DNA探針與靶序列雜交形成之雙鏈DNA

5、在Mg2+溶液環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)模擬分析,卻發(fā)現(xiàn)固定的雙鏈DNA在Mg2+溶液中沒有發(fā)生明顯的彎曲,進(jìn)一步說明Mg2+對界面上DNA分子的彎曲變化作用僅限于雜交前具有線型單鏈構(gòu)型的DNA探針。
　　 2.針對DNA微陣列在核酸檢測方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由線型單鏈DNA探針層、羧基修飾層以及氧化硅平面基底三部分組成的分子識別界面模型,通過分子動力學(xué)模擬研究了位于羧基修飾層上之線型單鏈DNA探針在Na+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)行為。結(jié)果

6、表明在受到羧基修飾層表面負(fù)電荷產(chǎn)生之靜電排斥力的作用下,DNA探針層分子的整體姿態(tài)在模擬期間保持了較好的直立狀態(tài),并且DNA探針底端序列及其與氧化硅平面的連接部分顯示出更大的剛性,從而使探針層上的7個DNA探針均保持了較大的持久長度。模擬結(jié)果還進(jìn)一步說明羧基修飾層表面的靜電排斥作用能夠?qū)ψ溆谄渖系腄NA探針層起到良好的支撐作用,從而減少DNA探針與修飾層界面相互接觸的機(jī)會,進(jìn)而減小表面位阻作用對DNA探針結(jié)構(gòu)變化的影響；羧基修飾層的靜

7、電作用還會減小探針層中DNA片段彼此間相互作用的機(jī)會。
　　 3.針對分子信標(biāo)微陣列在核酸檢測方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由發(fā)夾型DNA探針、羥基修飾層以及氧化硅平面基底三部分組成的分子識別界面模型,通過分子動力學(xué)模擬研究了氧化硅平面上發(fā)夾型DNA探針在Na+和Mg2+溶液中的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明發(fā)夾型DNA探針在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中發(fā)生彎曲收縮的程度更大一些,說明發(fā)夾探針的環(huán)部序列在Mg2+溶液中會受到更大程度

8、的收縮與擠壓作用,從而使環(huán)部序列內(nèi)部堿基之間更容易形成氫鍵；同時,發(fā)夾型探針在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中具有更穩(wěn)定的莖部雙鏈結(jié)構(gòu),從而使發(fā)夾探針整體在Mg2+溶液環(huán)境下保持了穩(wěn)定的發(fā)夾狀二級結(jié)構(gòu)。另一方面,模擬結(jié)果同時表明發(fā)夾探針的環(huán)部序列在Na+溶液中比其在Mg2+溶液中具有更大的靈活性,因此能夠產(chǎn)生程度更為劇烈的運(yùn)動變化。
　　 4.針對分子信標(biāo)微陣列在核酸檢測方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由發(fā)夾型DNA探針、羧基修飾層及氧化硅平

9、面基底三部分組成的分子識別界面模型,通過分子動力學(xué)模擬研究了位于羧基修飾層表面的發(fā)夾型DNA探針在Mg2+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明,受到羧基修飾層表面靜電排斥力的影響時,發(fā)夾探針莖部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動變化更加靈活,進(jìn)而引起整個發(fā)夾探針發(fā)生更加劇烈的構(gòu)象變化,而在這一過程中,探針整體還不斷向平行于界面的方向傾斜。另一方面,發(fā)夾探針在羧基修飾層上比其在羥基修飾層界面上發(fā)生彎曲收縮變化的程度要小,使環(huán)部序列在探針整體劇烈運(yùn)動的情

10、況下卻沒有形成穩(wěn)定的氫鍵作用,而發(fā)夾探針的莖部區(qū)域因具有較大靈活性,能夠隨探針環(huán)部區(qū)域的運(yùn)動變化做出相應(yīng)調(diào)整,從而始終保持穩(wěn)定的雙鏈構(gòu)象。
　　 5.針對納米金復(fù)合顆粒在DNA分子識別方面的應(yīng)用,構(gòu)建了兩種DNA-納米金復(fù)合顆粒的模型,它們分別包被有羥基修飾層和羧基修飾層,通過分子動力學(xué)模擬研究了納米金球面上的單鏈DNA探針在Na+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明,DNA探針與納米金表面的連接段在羥基修飾層表面會發(fā)

11、生明顯的彎曲和傾斜,而在羧基修飾層則會受到表面靜電排斥作用而保持著一種相對直立的狀態(tài)。這種探針連接段結(jié)構(gòu)上的差異使得兩種DNA-納米金復(fù)合顆粒在整體的卷曲收縮運(yùn)動方面存在較大差異,進(jìn)而使羧基修飾的復(fù)合顆粒比羥基修飾的復(fù)合顆?？傮w上具有更大的有效半徑。此外,模擬研究還發(fā)現(xiàn)DNA-納米金復(fù)合顆粒在溶液中可以靈活地運(yùn)動變化,從而使顆粒上的DNA探針具有明顯的本體溶液環(huán)境特征；在模擬的大多數(shù)時間內(nèi),羧基修飾層表面之DNA探針序列靠近5’端的3個