鳥嘌呤和胞嘧啶在高定向熱解石墨上的共吸附配對結構

李玉碟，蔡源青，劉文才，許世林，邱深玉，陳小玲，2，李 未，2

(南昌工程學院 1.理學院，2.光電材料與新能源技術重點實驗室，江西 南昌 330099)

脫氧核糖核酸(DNA)攜帶著所有生物的遺傳信息，因此被用作基于堿基修復原則的復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯配方，而在DNA中堿基對于雙螺旋結構的穩(wěn)定性和調(diào)控各種已知的信息傳遞功能具有重要意義[1-4]。DNA堿基包括腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)，這些堿基借助氫鍵嚴格遵循互補配對的原則排列在雙鏈結構的內(nèi)側，形成沃森-克里克氫鍵配對(A-T和G-C)。沃森-克里克堿基氫鍵配對形成穩(wěn)定的DNA雙螺旋結構是生命過程中遺傳信息傳遞的基礎，也是研制基于DNA低聚體表面新型生物傳感器的關鍵，已被用于指導基于DNA的人工分子結構的自組裝[5-9]。這些不同維度的超分子結構通過多種非共價相互作用相互連接而成，是一種很有前途的結構。目前，DNA的簡化模型系統(tǒng)已經(jīng)在理論和實驗上得到了廣泛的研究，核酸(NA)堿基配對之間的相互作用也得到了更好的理解[10-12]，這些超分子結構在分子晶體、生物傳感器、表面功能化、納米機械器件以及超分子化學領域有潛在的應用前景。

鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)由于其獨特的化學結構和配體結合特性，所以它們與其他核酸或無機離子所形成的自組裝體系結構、動力學和配體結合特性等受到了廣泛的研究。例如，F(xiàn).besenbacher首次在1-辛醇/石墨界面上觀測到DNA堿基鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)分子混合形成有序的雙行結構[13]。最近，同濟大學許維課題組利用G分子在超高真空(UHV)條件下將G自組裝成了帶狀結構[14]。董明東和他的同事報道了在液體或固—液界面上，通過氫鍵互補堿基相互吸附原則形成的二維有序納米結構[15]。然而，這些先前的研究都是在真空或有機溶液等條件下進行的，并未考慮到水的存在。DNA分子在體內(nèi)是水合的，它們的結構、功能和活性與其和水的相互作用息息相關。此外，水也被認為是導致DNA堿基互變異構存在的一個重要因素。盡管利用掃描探針顯微技術對眾多堿基組裝及配對行為的研究已取得許多成果，但這些研究都是在超高真空環(huán)境下或?qū)A基溶于有機溶劑(辛醇、酒精、甲苯等)中展開的，而水作為溶劑的結合行為是在加熱至120℃才觀測到的。目前，在類生物體液態(tài)環(huán)境下，利用掃描探針顯微鏡分子層次上直接觀測DNA堿基配對等實驗報道還非常罕見，僅有少數(shù)報道涉及基因組DNA堿基與有機化合物結合形成的高度有序自組裝單層膜。實際上，生命存在的液態(tài)環(huán)境主要是溶有無機物質(zhì)及一些有機物的水，活體DNA損傷后，細胞內(nèi)的損傷修復系統(tǒng)會盡可能在最短時間內(nèi)對損傷后的DNA進行精細的調(diào)控、修復。那么，離體實驗及不考慮體液環(huán)境的理論計算，能否真正識別DNA堿基配對？能否如實反應損傷修復機制？能否正確解釋生命現(xiàn)象？像這樣的一系列問題都需要進一步的考證。因此，在生物體液態(tài)環(huán)境中研究DNA堿基結構具有極其重大的意義。

掃描隧道顯微技術(STM)是一種能夠提供原子分辨率的強大技術工具，可以在超高真空、氣固界面和液固界面等多種環(huán)境條件下工作。特別是在液固界面下，STM不僅可以研究分子組織的形態(tài)，而且為生物、化學和工程等自組裝系統(tǒng)提供了一個液體環(huán)境。因此，本文利用掃描隧道顯微鏡研究了DNA堿基鳥嘌呤和胞嘧啶在水溶液中的自組裝結構。研究結果表明，鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)在高定向熱解石墨表面共吸附形成沃森-克里克G-C配對有序共吸附納米結構，鳥嘌呤和胞嘧啶分子之間的競爭會導致G-C鍵的增加和總能量的降低，最終導致了二維超分子結構形成。通過DFT計算進一步深入證實了鳥嘌呤和胞嘧啶混合物的多態(tài)配對結構的性質(zhì)和組成，揭示了各種有序配對結構的形成機制，為進一步探索DNA堿基配對及其與蛋白質(zhì)、氨基酸以及更復雜的生物系統(tǒng)結合的能力提供可靠的理論數(shù)據(jù)和實驗指導。

1 實驗

實驗所用的5500掃描隧道顯微鏡儀器為美國安捷倫公司制造，探針是機械裁剪的直徑為0.25mm鉑-銥(Pt：Ir=80%：20%)絲線。本文使用購于美國SPI公司的高定向熱解石墨(HOPG)，其尺寸大小為10mm×10mm×1mm。鳥嘌呤和胞嘧啶(純度≥98.5%)分子購買于麥凱琳(Macklin)公司，未做純化處理。首先，在室溫下將鳥嘌呤和胞嘧啶溶解在去離子水中(電阻率為18.2 MΩ)，分別配制5.6×10-6mol/L和8.7×10-3M/L溶液各5mL，將配制的溶液超聲約5 min，并在使用前稀釋到所需的不同濃度。然后，把配制好的鳥嘌呤和胞嘧啶溶液用移液槍提取5μL分別滴到新解離的HOPG表面，靜置3 h，最后直接在固—液界面下進行STM表征，分別得到鳥嘌呤和胞嘧啶自組裝結構。最后，將鳥嘌呤溶液與胞嘧啶溶液按比例混合后，用移液槍提取5μL的混合溶液，滴于新鮮解離的石墨表面，制得G與C的混合溶液。所有的掃描圖像都是在固-液界面下恒流模式下得到的，使用Pico Image Basic 6.2程序(Agilent，USA)提取和處理圖像。密度泛函理論(DFT)在從頭計算模擬包(VASP)中實現(xiàn)，使用PBE廣義梯度交換和相關泛函，其動能截止為400 eV，采用optB86b-vdW方法考慮范德華力作用[16-18]。由于計算中小區(qū)尺寸較大，所以未考慮石墨表面，幾何優(yōu)化采用了1×1×1點網(wǎng)格的布里淵區(qū)。在幾何優(yōu)化過程中，所有原子均處于完全松弛狀態(tài)，直到每個原子的剩余力小于0.01 eV/?。

2 實驗結果與討論

圖1 水/固界面下胞嘧啶G分子結構

鳥嘌呤和胞嘧啶容易形成沃森-克里克氫鍵堿基配對的超分子結構，把鳥嘌呤和胞嘧啶水溶液按1：3摩爾比例混合在一起，用移液槍滴一滴5μL的混合溶液在新解離的HOPG表面，同樣靜置3 h后，然后用掃描隧道顯微鏡在掃描電流0.72nA和掃描電壓-0.41V下掃描，觀察到了高低凸起的雙排有序結構，如圖2(a)所示。從STM掃描圖中發(fā)現(xiàn)，這種結構與純鳥嘌呤和純胞嘧啶分子形成的結構有所不同，形成了高低交錯的鏈狀周期性結構。圖2(a)中白色直線認為是鳥嘌呤分子形成的，綠色直線是胞嘧啶分子形成的，鳥嘌呤和胞嘧啶通過三重氫鍵形成二聚體，二聚體之間通過兩對氫鍵形成直線鏈狀結構，其對應的分子結構模型分別如圖2(b)所示，其晶格參數(shù)為a=(0.71±0.02)nm，b=(1.71±0.02)nm，θ=(85±1)°。

圖2 鳥嘌呤和胞嘧啶在水/HOPG界面上的共吸附有序結構

(1)

(a)C二聚體；(b)G二聚體；(c)GC二聚體；(d)GC二聚體鏈；(e)由交替的GC二聚體形成的 GCGC四分體鏈；(f)鏈結構中每個GC二聚體的 結合能隨鏈長變化的函數(shù)。圖3 由SCC-DFTB計算得到的結構模型和結合能

它將(n-1)個有效二聚體之間的相互作用能均勻地分布在每一行的n個二聚體上，其能量大小為ΔE。通過線性擬合，得到了ΔE=0.29 eV，如圖3f中紅色曲線所示。由于二聚體與二聚體之間相互作用能量是簡單相加的，所以在這些一維鏈中，我們沒有發(fā)現(xiàn)相鄰的GC二聚體之間的氫鍵有任何協(xié)同性效應。實際上，GC之間通過氫鍵作用還可以形成GCGC四聚體結構，這種結構就是將GC二聚體繞表面旋轉(zhuǎn)180°形成的，如圖3(e)所示。這種結構中的每個二聚體結合能(圖3f中的藍色十字)顯示出一種振蕩行為，對于含有偶數(shù)GC二聚體的行段具有極大的振動行為。通過對鏈間相互作用能的計算，發(fā)現(xiàn)在二聚體鏈的橫向分離分別小于1.63(1.93)nm時，這一能量是微不足道的。也就是說，比實驗觀察到的1.71 nm分離更短(更長)。因此，四方鏈的缺失可能是試驗性覆蓋范圍的不穩(wěn)定造成的。

3 結束語

本文研究了DNA堿基中的鳥嘌呤和胞嘧啶在水/石墨界面上的吸附和共吸附形成的納米結構。通過掃描隧道顯微鏡觀測到了一種由GC二聚體氫鍵形成的雙排結構。從SCC-DFTB方法的理論模型出發(fā)，建立了所觀測到的一個令人信服的二聚體鏈的模型，并對它們所形成的分子間相互作用進行了詳細的研究。通過觀察和理解互補的DNA 在無機基底上形成的有序結構，可以進一步深入了解分子識別和氫鍵在自組裝過程中的關鍵作用，這對納米材料的制備和納米科學和納米技術的發(fā)展具有重要意義。