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(xué)院 1.理學(xué)院，2.光電材料與新能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)原則的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯配方，而在DNA中堿基對于雙螺旋結(jié)構(gòu)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(yán)格遵循互補(bǔ)配對的原則排列在雙鏈結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，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(jié)構(gòu)是生命過程中遺傳信息傳遞的基礎(chǔ)，也是研制基于DNA低聚體表面新型生物傳感器的關(guān)鍵，已被用于指導(dǎo)基于DNA的人工分子結(jié)構(gòu)的自組裝[5-9]。這些不同維度的超分子結(jié)構(gòu)通過多種非共價(jià)相互作用相互連接而成，是一種很有前途的結(jié)構(gòu)。目前，DNA的簡化模型系統(tǒng)已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)在分子晶體、生物傳感器、表面功能化、納米機(jī)械器件以及超分子化學(xué)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和配體結(jié)合特性，所以它們與其他核酸或無機(jī)離子所形成的自組裝體系結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和配體結(jié)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(jié)構(gòu)[13]。最近，同濟(jì)大學(xué)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(jié)構(gòu)[14]。董明東和他的同事報(bào)道了在液體或固—液界面上，通過氫鍵互補(bǔ)堿基相互吸附原則形成的二維有序納米結(jié)構(gòu)[15]。然而，這些先前的研究都是在真空或有機(jī)溶液等條件下進(jìn)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(jié)構(gòu)、功能和活性與其和水的相互作用息息相關(guān)。此外，水也被認(rèn)為是導(dǎo)致DNA堿基互變異構(gòu)存在的一個重要因素。盡管利用掃描探針顯微技術(shù)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(jī)溶劑(辛醇、酒精、甲苯等)中展開的，而水作為溶劑的結(jié)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(shí)驗(yàn)報(bào)道還非常罕見，僅有少數(shù)報(bào)道涉及基因組DNA堿基與有機(jī)化合物結(jié)合形成的高度有序自組裝單層膜。實(shí)際上，生命存在的液態(tài)環(huán)境主要是溶有無機(jī)物質(zhì)及一些有機(jī)物的水，活體DNA損傷后，細(xì)胞內(nèi)的損傷修復(fù)系統(tǒng)會盡可能在最短時間內(nèi)對損傷后的DNA進(jìn)行精細(xì)的調(diào)控、修復(fù)。那么，離體實(shí)驗(yàn)及不考慮體液環(huán)境的理論計(jì)算，能否真正識別DNA堿基配對？能否如實(shí)反應(yīng)損傷修復(fù)機(jī)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(jìn)一步的考證。因此，在生物體液態(tài)環(huán)境中研究DNA堿基結(jié)構(gòu)具有極其重大的意義。

掃描隧道顯微技術(shù)(STM)是一種能夠提供原子分辨率的強(qiáng)大技術(shù)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(xué)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(jié)構(gòu)。研究結(jié)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(jié)構(gòu)，鳥嘌呤和胞嘧啶分子之間的競爭會導(dǎo)致G-C鍵的增加和總能量的降低，最終導(dǎo)致了二維超分子結(jié)構(gòu)形成。通過DFT計(jì)算進(jìn)一步深入證實(shí)了鳥嘌呤和胞嘧啶混合物的多態(tài)配對結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和組成，揭示了各種有序配對結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，為進(jìn)一步探索DNA堿基配對及其與蛋白質(zhì)、氨基酸以及更復(fù)雜的生物系統(tǒng)結(jié)合的能力提供可靠的理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行STM表征，分別得到鳥嘌呤和胞嘧啶自組裝結(jié)構(gòu)。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(jì)算模擬包(VASP)中實(shí)現(xiàn)，使用PBE廣義梯度交換和相關(guān)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(jì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1 水/固界面下胞嘧啶G分子結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。從STM掃描圖中發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)與純鳥嘌呤和純胞嘧啶分子形成的結(jié)構(gòu)有所不同，形成了高低交錯的鏈狀周期性結(jié)構(gòu)。圖2(a)中白色直線認(rèn)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(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

(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(jié)構(gòu)中每個GC二聚體的 結(jié)合能隨鏈長變化的函數(shù)。圖3 由SCC-DFTB計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)模型和結(jié)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(yīng)。實(shí)際上，GC之間通過氫鍵作用還可以形成GCGC四聚體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的每個二聚體結(jié)合能(圖3f中的藍(lán)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)性覆蓋范圍的不穩(wěn)定造成的。

3 結(jié)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過觀察和理解互補(bǔ)的DNA 在無機(jī)基底上形成的有序結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步深入了解分子識別和氫鍵在自組裝過程中的關(guān)鍵作用，這對納米材料的制備和納米科學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。