DNA手性自組裝及其二氧化硅礦化：合成,形成機(jī)理和性能.pdf

1、在生物有機(jī)體內(nèi)，生物分子可以通過自組裝的方式形成精密的二維和三維多級(jí)介觀結(jié)構(gòu)和形貌。DNA分子是表面帶有負(fù)電荷的陰離子聚電解質(zhì)，在水溶液中極易與陽離子相互作用并自組裝形成液晶結(jié)構(gòu)，其中包括藍(lán)相、二維柱狀六方相、手性膽甾相和近晶相等。通過礦化來研究DNA液晶結(jié)構(gòu)，有助于人們更好地認(rèn)識(shí)DNA在精子、染色體、核小體等生命組織中的存在狀態(tài)以及合成新型的多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。然而，目前對(duì)DNA手性膽甾相的二氧化硅礦化卻幾乎沒有報(bào)道。本論文采用共結(jié)構(gòu)導(dǎo)向法

2、通過陽離子誘導(dǎo)DNA手性排列合成了具有葉輪狀螺旋形貌的手性DNA-二氧化硅組裝體（chiral DNA-silica assembly，CDSA）;提出了其多級(jí)手性結(jié)構(gòu)/螺旋形貌的形成機(jī)理；對(duì)CDSA的多級(jí)手性結(jié)構(gòu)和螺旋形貌及其相應(yīng)的光學(xué)活性進(jìn)行詳細(xì)的研究；控制了DNA-二氧化硅片（DNA-silica platelet，DSP）在圖案化硅片表面的方向、位置和排列。
　　第一章，本課題的相關(guān)文獻(xiàn)和研究背景，同時(shí)提出研究意義和策略。

3、分別介紹了自組裝理論（特別是手性自組裝）和二氧化硅礦化理論，尤其是基于手性生物分子的自組裝和生物礦化。最后概述了本課題的選題意義和研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，以Mg2+作為DNA手性排列誘導(dǎo)劑合成CDSA。DNA固有的螺旋性以及相應(yīng)的長(zhǎng)程手性排列是一種普遍存在的現(xiàn)象。然而，無論在體內(nèi)還是體外，DNA多級(jí)手性排列的機(jī)理卻不是很清晰。本章通過二氧化硅礦化的方法合成了具有對(duì)映異構(gòu)手性結(jié)構(gòu)的DNA組裝體，并對(duì)其手性結(jié)構(gòu)和螺旋形貌進(jìn)行了解析。以

4、DNA分子為生物有機(jī)模板劑，Mg2+為手性誘導(dǎo)劑，N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化銨（TMAPS）為共結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑（co-structure directing agent，CSDA），正硅酸四乙酯（TEOS）為無機(jī)硅源，控制合成了具有手性結(jié)構(gòu)的葉輪狀CDSA。堿土金屬離子誘導(dǎo) DNA自組裝形成具有二維四方p4mm手性結(jié)構(gòu)的葉輪狀螺旋CDSA，其中左旋DNA組裝體生成的葉片螺旋排列形成右旋CDSA；而右旋的DNA組裝體則誘導(dǎo)生成

5、左旋CDSA。隨著反應(yīng)溶液的溫度，pH和TMAPS/DNA摩爾比的增加，葉輪狀CDSA中DNA的排列從左旋反轉(zhuǎn)為右旋，而螺旋形貌相應(yīng)的從右旋反轉(zhuǎn)成左旋。結(jié)果表明，堿土金屬傾向于誘導(dǎo)DNA右旋排列，其手性方向可以通過調(diào)節(jié)DNA和TMAPS之間相互作用力的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。
　　第三章，以聚多胺作為DNA手性排列誘導(dǎo)劑合成CDSA。聚多胺在細(xì)胞生長(zhǎng)和分化過程中具有許多功能，同時(shí)聚多胺在DNA代謝的過程中也有顯著作用。研究聚多胺和DNA組裝體

6、，有助于更好地理解其在生物體內(nèi)的重要作用。首先，采用聚多胺作為 DNA手性誘導(dǎo)劑，通過共結(jié)構(gòu)導(dǎo)向法合成了葉輪狀CDSA，并與相同條件下以Mg2+作為DNA手性排列誘導(dǎo)劑時(shí)形成的CDSA進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，Mg2+有利于形成左旋CDSA，而聚多胺（二乙基三胺）則有利于形成右旋CDSA；反應(yīng)溶液的pH以及聚多胺和CSDA的種類都對(duì)CDSA結(jié)構(gòu)和形貌的形成產(chǎn)生重要的影響。基于上述結(jié)果，認(rèn)為帶有負(fù)電荷DNA磷酸基團(tuán)和帶有正電荷陽離子（包括聚多

7、胺、TMAPS）之間的作用力強(qiáng)度是誘導(dǎo)DNA手性排列的最主要因素。
　　第四章，CDSA的形成過程及其機(jī)理。理解生物模擬材料的形成機(jī)理，有助于了解生命體的結(jié)構(gòu)組成和構(gòu)筑新型功能化材料。首先，本章在高溫（25℃）和低溫（0℃）條件下，分別合成了具有右旋和左旋葉輪狀CDSA；而其螺距隨著Mg2+（手性誘導(dǎo)劑）和TMAPS（CSDA）加入量的增加而顯著增加；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，DNA分別在季銨離子和Mg2+存在下，傾向于分別形成左旋和右旋排列。其

8、次，反應(yīng)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明，由于DNA的螺旋排列，葉輪狀螺旋形貌的形成經(jīng)歷片狀DNA-二氧化硅組裝體邊沿破裂以及在斷裂處繼續(xù)有序生長(zhǎng)的過程；CDSA在形成最終結(jié)構(gòu)的過程中存在二維六方p6mm向二維四方p4mm的轉(zhuǎn)變；左旋和右旋CDSA（其中DNA分子間的排列為右旋和左旋）中DNA的排列均起源于右旋的DNA螺旋排列。硅源在高溫時(shí)的縮聚促進(jìn)其負(fù)電荷量的減少，從而增加DNA-TMAPS之間的相互作用力，誘導(dǎo)DNA排列的反轉(zhuǎn)。而低溫時(shí)，硅源的縮聚

9、程度不足以使DNA的排列發(fā)生反轉(zhuǎn)。因此，形貌和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變都是由DNA-Mg2+與TMAPS-TEOS之間的電荷匹配和競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致。
　　第五章，CDSA的多級(jí)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)光學(xué)活性。水分子在保持 DNA結(jié)構(gòu)和DNA功能化方面具有重要作用。水分子可以通過氫鍵使DNA堿基互補(bǔ)配對(duì)，而作為溶劑，水分子也有助于DNA分子在其組裝體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在葉輪狀CDSA中，由于DNA分子之間含有剛性的無機(jī)二氧化硅骨架，有效地抑制了DNA分子的纏繞和聚集。

10、這為研究CDSA中DNA的手性排列提供了極大的可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CDSA的介觀結(jié)構(gòu)中存在兩種不同的DNA手性排列，即，DNA層與層之間的手性排列和相鄰DNA分子之間的螺旋陣列。本章通過向CDSA中加入水分子，使DNA恢復(fù)雙螺旋構(gòu)象來研究CDSA中DNA的多級(jí)排列。干燥條件下CDSA只顯示來源于二維四方p4mm結(jié)構(gòu)DNA分子層與層之間螺旋排列的光學(xué)活性；而浸水后CDSA則主要顯示來源于相鄰DNA分子之間錯(cuò)位陣列排列的光學(xué)活性。兩種光

11、學(xué)活性的位置相近但信號(hào)相反。無論干燥還是浸水的樣品，其最終的光學(xué)活性均來自于上述兩種信號(hào)的疊加。在干燥和潤(rùn)濕條件下，在葉輪狀CDSA中引入的Ag納米顆粒所產(chǎn)生的等離子共振圓二色性，進(jìn)一步證明了CDSA中DNA多級(jí)手性的存在。
　　第六章，合成光學(xué)活性葉輪狀手性無機(jī)二氧化硅薄膜（chiral inorganic silica film）。具有光學(xué)活性的手性無機(jī)薄膜是自然界中非常常見的現(xiàn)象。通過化學(xué)和物理方法，人們已經(jīng)合成了許多手性無

12、機(jī)粉末，但是成功合成手性無機(jī)薄膜的報(bào)道卻很少。本章報(bào)道了一種全新的合成思路，來外延生長(zhǎng)具有葉輪狀螺旋形貌的無機(jī)薄膜。通過誘導(dǎo)DNA模板分子和支撐基底硅片之間產(chǎn)生強(qiáng)相互作用力，可以在硅片表面外延生長(zhǎng)右旋、豎直導(dǎo)向的二維四方p4mm排列葉輪狀薄膜。手性DNA-二氧化硅薄膜（chiral DNA-silica film，CDSF）在295nm和400-800nm出顯現(xiàn)出不同的光學(xué)活性。這分別是源于DNA的手性排列的吸收和葉輪螺旋形貌的散射。通

13、過煅燒移除DNA模板，薄膜保持螺旋形貌；因此，源于平均折射系數(shù)的降低，基于散射的光學(xué)活性藍(lán)移200nm。薄膜的結(jié)構(gòu)顏色源于長(zhǎng)程各向異性的雙折射現(xiàn)象。
　　第七章，采用模板輔助自組裝方法，控制二維介觀DSP在圖案化硅片表面的方向，位置和排列。在自然界，多級(jí)且結(jié)構(gòu)有序的生物分子-無機(jī)物組裝體（如骨骼，象牙質(zhì)，蛋殼和貝殼等）是普遍存在的物質(zhì)。但迄今為止，人為的對(duì)各向異性二維/三維介觀結(jié)構(gòu)材料的長(zhǎng)程多級(jí)取向和周期排列的控制卻很難實(shí)現(xiàn)。本章