鸟嘌呤和胞嘧啶在高定向热解石墨上的共吸附配对结构

李玉碟，蔡源青，刘文才，许世林，邱深玉，陈小玲，2，李 未，2

(南昌工程学院 1.理学院，2.光电材料与新能源技术重点实验室，江西 南昌 330099)

脱氧核糖核酸(DNA)携带着所有生物的遗传信息，因此被用作基于碱基修复原则的复制、转录和翻译配方，而在DNA中碱基对于双螺旋结构的稳定性和调控各种已知的信息传递功能具有重要意义[1-4]。DNA碱基包括腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)，这些碱基借助氢键严格遵循互补配对的原则排列在双链结构的内侧，形成沃森-克里克氢键配对(A-T和G-C)。沃森-克里克碱基氢键配对形成稳定的DNA双螺旋结构是生命过程中遗传信息传递的基础，也是研制基于DNA低聚体表面新型生物传感器的关键，已被用于指导基于DNA的人工分子结构的自组装[5-9]。这些不同维度的超分子结构通过多种非共价相互作用相互连接而成，是一种很有前途的结构。目前，DNA的简化模型系统已经在理论和实验上得到了广泛的研究，核酸(NA)碱基配对之间的相互作用也得到了更好的理解[10-12]，这些超分子结构在分子晶体、生物传感器、表面功能化、纳米机械器件以及超分子化学领域有潜在的应用前景。

鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)由于其独特的化学结构和配体结合特性，所以它们与其他核酸或无机离子所形成的自组装体系结构、动力学和配体结合特性等受到了广泛的研究。例如，F.besenbacher首次在1-辛醇/石墨界面上观测到DNA碱基鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)分子混合形成有序的双行结构[13]。最近，同济大学许维课题组利用G分子在超高真空(UHV)条件下将G自组装成了带状结构[14]。董明东和他的同事报道了在液体或固—液界面上，通过氢键互补碱基相互吸附原则形成的二维有序纳米结构[15]。然而，这些先前的研究都是在真空或有机溶液等条件下进行的，并未考虑到水的存在。DNA分子在体内是水合的，它们的结构、功能和活性与其和水的相互作用息息相关。此外，水也被认为是导致DNA碱基互变异构存在的一个重要因素。尽管利用扫描探针显微技术对众多碱基组装及配对行为的研究已取得许多成果，但这些研究都是在超高真空环境下或将碱基溶于有机溶剂(辛醇、酒精、甲苯等)中展开的，而水作为溶剂的结合行为是在加热至120℃才观测到的。目前，在类生物体液态环境下，利用扫描探针显微镜分子层次上直接观测DNA碱基配对等实验报道还非常罕见，仅有少数报道涉及基因组DNA碱基与有机化合物结合形成的高度有序自组装单层膜。实际上，生命存在的液态环境主要是溶有无机物质及一些有机物的水，活体DNA损伤后，细胞内的损伤修复系统会尽可能在最短时间内对损伤后的DNA进行精细的调控、修复。那么，离体实验及不考虑体液环境的理论计算，能否真正识别DNA碱基配对？能否如实反应损伤修复机制？能否正确解释生命现象？像这样的一系列问题都需要进一步的考证。因此，在生物体液态环境中研究DNA碱基结构具有极其重大的意义。

扫描隧道显微技术(STM)是一种能够提供原子分辨率的强大技术工具，可以在超高真空、气固界面和液固界面等多种环境条件下工作。特别是在液固界面下，STM不仅可以研究分子组织的形态，而且为生物、化学和工程等自组装系统提供了一个液体环境。因此，本文利用扫描隧道显微镜研究了DNA碱基鸟嘌呤和胞嘧啶在水溶液中的自组装结构。研究结果表明，鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)在高定向热解石墨表面共吸附形成沃森-克里克G-C配对有序共吸附纳米结构，鸟嘌呤和胞嘧啶分子之间的竞争会导致G-C键的增加和总能量的降低，最终导致了二维超分子结构形成。通过DFT计算进一步深入证实了鸟嘌呤和胞嘧啶混合物的多态配对结构的性质和组成，揭示了各种有序配对结构的形成机制，为进一步探索DNA碱基配对及其与蛋白质、氨基酸以及更复杂的生物系统结合的能力提供可靠的理论数据和实验指导。

1 实验

实验所用的5500扫描隧道显微镜仪器为美国安捷伦公司制造，探针是机械裁剪的直径为0.25mm铂-铱(Pt：Ir=80%：20%)丝线。本文使用购于美国SPI公司的高定向热解石墨(HOPG)，其尺寸大小为10mm×10mm×1mm。鸟嘌呤和胞嘧啶(纯度≥98.5%)分子购买于麦凯琳(Macklin)公司，未做纯化处理。首先，在室温下将鸟嘌呤和胞嘧啶溶解在去离子水中(电阻率为18.2 MΩ)，分别配制5.6×10-6mol/L和8.7×10-3M/L溶液各5mL，将配制的溶液超声约5 min，并在使用前稀释到所需的不同浓度。然后，把配制好的鸟嘌呤和胞嘧啶溶液用移液枪提取5μL分别滴到新解离的HOPG表面，静置3 h，最后直接在固—液界面下进行STM表征，分别得到鸟嘌呤和胞嘧啶自组装结构。最后，将鸟嘌呤溶液与胞嘧啶溶液按比例混合后，用移液枪提取5μL的混合溶液，滴于新鲜解离的石墨表面，制得G与C的混合溶液。所有的扫描图像都是在固-液界面下恒流模式下得到的，使用Pico Image Basic 6.2程序(Agilent，USA)提取和处理图像。密度泛函理论(DFT)在从头计算模拟包(VASP)中实现，使用PBE广义梯度交换和相关泛函，其动能截止为400 eV，采用optB86b-vdW方法考虑范德华力作用[16-18]。由于计算中小区尺寸较大，所以未考虑石墨表面，几何优化采用了1×1×1点网格的布里渊区。在几何优化过程中，所有原子均处于完全松弛状态，直到每个原子的剩余力小于0.01 eV/Å。

2 实验结果与讨论

图1 水/固界面下胞嘧啶G分子结构

鸟嘌呤和胞嘧啶容易形成沃森-克里克氢键碱基配对的超分子结构，把鸟嘌呤和胞嘧啶水溶液按1：3摩尔比例混合在一起，用移液枪滴一滴5μL的混合溶液在新解离的HOPG表面，同样静置3 h后，然后用扫描隧道显微镜在扫描电流0.72nA和扫描电压-0.41V下扫描，观察到了高低凸起的双排有序结构，如图2(a)所示。从STM扫描图中发现，这种结构与纯鸟嘌呤和纯胞嘧啶分子形成的结构有所不同，形成了高低交错的链状周期性结构。图2(a)中白色直线认为是鸟嘌呤分子形成的，绿色直线是胞嘧啶分子形成的，鸟嘌呤和胞嘧啶通过三重氢键形成二聚体，二聚体之间通过两对氢键形成直线链状结构，其对应的分子结构模型分别如图2(b)所示，其晶格参数为a=(0.71±0.02)nm，b=(1.71±0.02)nm，θ=(85±1)°。

图2 鸟嘌呤和胞嘧啶在水/HOPG界面上的共吸附有序结构

(1)

(a)C二聚体；(b)G二聚体；(c)GC二聚体；(d)GC二聚体链；(e)由交替的GC二聚体形成的 GCGC四分体链；(f)链结构中每个GC二聚体的 结合能随链长变化的函数。图3 由SCC-DFTB计算得到的结构模型和结合能

它将(n-1)个有效二聚体之间的相互作用能均匀地分布在每一行的n个二聚体上，其能量大小为ΔE。通过线性拟合，得到了ΔE=0.29 eV，如图3f中红色曲线所示。由于二聚体与二聚体之间相互作用能量是简单相加的，所以在这些一维链中，我们没有发现相邻的GC二聚体之间的氢键有任何协同性效应。实际上，GC之间通过氢键作用还可以形成GCGC四聚体结构，这种结构就是将GC二聚体绕表面旋转180°形成的，如图3(e)所示。这种结构中的每个二聚体结合能(图3f中的蓝色十字)显示出一种振荡行为，对于含有偶数GC二聚体的行段具有极大的振动行为。通过对链间相互作用能的计算，发现在二聚体链的横向分离分别小于1.63(1.93)nm时，这一能量是微不足道的。也就是说，比实验观察到的1.71 nm分离更短(更长)。因此，四方链的缺失可能是试验性覆盖范围的不稳定造成的。

3 结束语

本文研究了DNA碱基中的鸟嘌呤和胞嘧啶在水/石墨界面上的吸附和共吸附形成的纳米结构。通过扫描隧道显微镜观测到了一种由GC二聚体氢键形成的双排结构。从SCC-DFTB方法的理论模型出发，建立了所观测到的一个令人信服的二聚体链的模型，并对它们所形成的分子间相互作用进行了详细的研究。通过观察和理解互补的DNA 在无机基底上形成的有序结构，可以进一步深入了解分子识别和氢键在自组装过程中的关键作用，这对纳米材料的制备和纳米科学和纳米技术的发展具有重要意义。