DNA基分子導線構筑基元的設計及相關性質理論研究.pdf

1、關于天然DNA導電性的諸多研究給出了相互不同甚至是相互矛盾的結果:在不同的實驗測定中,DNA可以是絕緣體,半導體,導體甚至是超導體。實驗證明,天然DNA的導電性強烈地依賴于序列、周圍水環(huán)境、與電極連接方式等內在和外界條件,這也說明,天然DNA作為納米分子導線的應用跟實際還有很大的距離。于是,近年來很多研究集中與DNA的修飾和性質改進工作,比如用人為設計的類似物替代DNA內部的嘌呤和嘧啶堿基(電荷是通過堿基間的堆積作用進行遷移的)。其中,

2、擴環(huán)堿基和金屬介導堿基對是其中比較突出的兩種修飾方法。建立在前人工作的基礎上,圍繞DNA修飾和性質改進,我們開展了一系列有意義的工作,取得了一些有價值的研究成果。主要成果和創(chuàng)新簡述如下:
　　 (1)多Cu介導堿基對G3CuC和A2CuT的理論設計和性質研究:相關研究工作表明,經過合適的金屬修飾,DNA能夠從絕緣體轉變?yōu)榘雽w甚至是導體,這為設計DNA基分子導線打開了一個視角。后續(xù)關于Metal-base和Metal-DNA的研

3、究也如火如荼地展開。已有研究都是關于單個金屬修飾堿基對的,得到了很讓人受鼓舞的結果。在前人工作的基礎上,我們設想:如果采用多個金屬修飾堿基對,是否應該取得更強的修飾效果呢?于是,我們設計了兩個多Cu修飾堿基對G3CuC和A2CuT,并對其結構和電子性質進行了詳細的研究和深入的討論。結構上,G3CuC和A2CuT具有與天然Watson-Crick堿基對GC和AT相似的幾何結構,而且尺寸有所擴大,大約1.0(A),這為構建穩(wěn)定的DNA雙螺旋

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

5、O-LUMO能隙?？梢灶A見,Cum-DNA的導電性應該比天然相同序列的DNA有很大的改進?？梢哉f,我們的研究為以后金屬修飾堿基對和M-DNA的研究工作打開了一個新的視角。
　　 (2)鳥嘌呤G和腺嘌呤A的外擴環(huán)修飾。人為設計堿基的其中一類是環(huán)擴大堿基,是通過一個芳香環(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)擴展堿基等。相關的研究表明,這些擴環(huán)堿基都能選擇性地與其他堿基配對并能夠形

6、成穩(wěn)定的雙螺旋DNA結構。更為重要的是,由于具有擴大的共軛區(qū)域,它們的HOMO-LUMO能隙、電離勢相對于天然的堿基減小了,這將大大提高修飾DNA的空穴產生能力和遷移能力,有利于設計DNA基分子導線。但是,應該指出的是,相對于天然的堿基,這些擴展堿基的尺寸都有所擴大。因此,當它們部分取代天然堿基時,戊糖-磷酸骨架結構就會發(fā)生一定程度的扭曲,破壞DNA的穩(wěn)定雙螺旋結構。這對設計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同

7、時還要保持它們的天然尺寸。巧合的是,Saito等人設計了一個空穴傳導能力很高的DNA導線——將其中的腺嘌呤A替換為其衍生物——一個芳香環(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,同時保持它們的天然尺寸。我們認為,將一個芳香環(huán)由外部并入堿基體系就是一個很好的方法。在此,我們設計了一些鳥嘌呤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它們的結構和電子性質進行了深入的研究和詳細的討論。跟事先預測的一樣,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改進其電子性質提供了很好的結構基礎。由于母體結構沒變,所以它們H鍵區(qū)域的靜電勢跟天然G和A是一樣的,因此它們應該對C和T具有很強的堿基配對選擇性。就電子性能而言,*G和*A及其堿基對的HOMO-LUMO能隙和電離勢都有很大程度的減小——也就是說,由此構建的DNA的能帶間隙將小于同序列的天然DNA,即更好的導電性,而且產生空穴和空穴的傳導能力也更好。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