不同價(jià)態(tài)離子對(duì)DNA凝聚的影響

錢(qián)鐵馬, 楊光參, 王艷偉

(1. 華盛頓大學(xué) 物理學(xué)院, 華盛頓州 西雅圖 98105; 2. 溫州大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院, 浙江 溫州 325035)

DNA作為一種生物大分子,與中性高分子和簡(jiǎn)單電解質(zhì)相比,它是一種有著不同性質(zhì)的聚電解質(zhì)。當(dāng)溶于極性溶液時(shí),DNA將離解成高帶電量的聚離子, 且周?chē)紳M了許多小的平衡離子。由于DNA附近不同化合價(jià)的平衡離子分布不均勻,導(dǎo)致DNA的長(zhǎng)程靜電相互作用和熵發(fā)生變化,DNA的構(gòu)象就會(huì)發(fā)生變化。

本文分析了DNA在不同濃度的不同價(jià)態(tài)的抗衡離子環(huán)境下發(fā)生凝聚的區(qū)別,并且使用原子力顯微鏡(AFM)研究了DNA分子凝聚形態(tài)隨著不同價(jià)態(tài)的離子和不同的離子濃度的變化情況,系統(tǒng)分析離子價(jià)態(tài)對(duì)DNA凝聚形態(tài)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 AFM實(shí)驗(yàn)原理

在AFM系統(tǒng)中,使用微小懸臂來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用,此作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng),當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)會(huì)使照在懸臂末端的激光的反射光位置改變而造成偏移量,激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量,也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)傳給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,最后將樣品的表面特性以影像的方式呈現(xiàn)。原子力顯微鏡與樣品間的相互作用以范德華力為主,其作用勢(shì)能一般用Lennard-Jones勢(shì)能函數(shù)表示如下:

式中,r是兩原子的核間距,δ是勢(shì)能為0時(shí)原子核間距,ε是勢(shì)阱深度,是勢(shì)能曲線上最低點(diǎn)勢(shì)能的絕對(duì)值。

當(dāng)懸臂尖端的原子與樣品靠近,開(kāi)始時(shí)吸引力起主導(dǎo)作用,隨著距離的減小,兩者之間的吸引力與排斥力將趨于平衡,當(dāng)兩者進(jìn)一步靠近時(shí),范德華力以斥力為主。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

云母片切割成為邊長(zhǎng)為1 cm的正方形,用雙面膠粘在圓形鐵片上,利用其作為襯底制作樣品。不同種類(lèi)的凝聚劑用超純水稀釋以達(dá)到最終濃度。AFM型號(hào)為島津公司的SPM-9600,探針購(gòu)自Nanoworld,懸臂彈性系數(shù)為42 N/m,共振頻率為320 kHz.模式采用氣態(tài)的輕敲模式,圖像采集的掃描頻率為2 Hz,像素為512×512，圖片使用時(shí)經(jīng)過(guò)平滑去噪處理以提高對(duì)比度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先把各種凝聚劑稀釋到預(yù)計(jì)濃度,混合均勻之后加入DNA,使DNA的最終濃度為1 mg/L。用移液器取約15 μL的DNA溶液滴在新解離的云母片上,沉積5 min,然后用200 μL的超純水沖洗,氮?dú)獯蹈?放入干燥器2 h以上,待掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 AFM結(jié)果與討論

2.1.1 Mg2+與DNA作用

在鎂離子濃度(c(Mg2+)為3 mmol/L和10 mmol/L)溶液中加入DNA,然后在云母表面沉積,用純水沖走表面上的多余分子,最后用氮?dú)獯蹈?。由AFM獲得的結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同Mg2+濃度下λ-DNA的凝聚形態(tài)

從圖1中可以看到,當(dāng)Mg2+濃度為3 mmol/L時(shí),DNA分子處于自由舒展的狀態(tài),以此可以看出Mg2+對(duì)DNA凝聚沒(méi)有作用,DNA還處于自然狀態(tài)。當(dāng)Mg2+濃度為10 mmol/L時(shí),DNA出現(xiàn)網(wǎng)格形狀,可見(jiàn)大濃度的Mg2+對(duì)DNA的形態(tài)也有影響,所以Mg2+作為沉積條件時(shí)濃度不能太大。

圖2 不同鈷離子濃度下λ-DNA的凝聚形態(tài)

2.1.3 [C10N4H30]4+與DNA作用

在不同濃度(20、50、100 μmol/L)的[C10N4H30]4+溶液中加入DNA,然后在云母表面沉積,水沖最后用氮?dú)獯蹈?其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

通過(guò)觀察[C10N4H30]4+導(dǎo)致的DNA凝聚可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)濃度為20 μmol/L時(shí),DNA分子已經(jīng)凝聚成較小的核心,凝聚程度十分明顯,比3價(jià)離子效果明顯很多；當(dāng)[C10N4H30]4+的濃度達(dá)到50 μmol/L時(shí),DNA的凝聚更加明顯,可以看到多個(gè)核心聚集在一起的情況,從而導(dǎo)致更緊密的凝聚；當(dāng)濃度增加到100 μmol/L時(shí),DNA凝聚得更加緊密,幾乎成球狀結(jié)構(gòu)。由此可以發(fā)現(xiàn)[C10N4H30]4+對(duì)DNA的凝聚有更顯著的作用。

2.2 DLS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

用動(dòng)態(tài)光散射儀(DLS)觀察多價(jià)離子的濃度和多價(jià)離子的種類(lèi)對(duì)DNA粒徑的影響。由于多價(jià)離子會(huì)使DNA凝聚,因而粒徑會(huì)發(fā)生變化。測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中每個(gè)粒徑r數(shù)值為5次測(cè)量的平均值。

表1 粒徑測(cè)量數(shù)據(jù)

表1(續(xù))

3 結(jié)語(yǔ)

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