氧化硅及納米金表面DNA探針的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、近年來,隨著納米生物技術(shù)的快速發(fā)展,以DNA微陣列、分子信標(biāo)和納米復(fù)合材料為代表的新型DNA分子檢測(cè)手段正被越來越多地應(yīng)用于疾病診斷及食品安全等與生命息息相關(guān)的重要領(lǐng)域。為此,深入了解固液界面上固定的DNA探針的構(gòu)象變化行為不僅對(duì)于理解和掌握這些新型DNA檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要,同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)、優(yōu)化DNA分子識(shí)別界面從而更好地應(yīng)用這類核酸檢測(cè)技術(shù)也具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。然而到目前為止,人們對(duì)于固液界面上DNA探針的結(jié)構(gòu)變化卻所知甚少。

2、r>　　 盡管目前已有一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段可以對(duì)固液界面上固定之DNA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步表征,然而據(jù)此得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還無法提供DNA分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的詳細(xì)情況。因此,為了彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)手段在這方面存在的不足,也為了從理論層面更好地解釋DNA檢測(cè)系統(tǒng)于固液界面的復(fù)雜工作機(jī)理,本論文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)研究了不同構(gòu)型之DNA探針在氧化硅平面及納米金表面的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)特性；建立了一整套行之有效的模型構(gòu)建方法與模擬實(shí)施方案,將DNA探針與氧化硅及

3、納米金等無機(jī)材料結(jié)合,在CHARMM力場(chǎng)的統(tǒng)一作用下進(jìn)行有效的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究。結(jié)果表明本研究采用的模擬方法可以從原子水平對(duì)分子識(shí)別界面上DNA探針的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)變化過程進(jìn)行全面而細(xì)致的觀測(cè)。因此本研究對(duì)于更好地應(yīng)用DNA微陣列與納米金分子識(shí)別技術(shù)具有理論指導(dǎo)意義,對(duì)于推廣分子動(dòng)力學(xué)理論在納米生物技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也具有借鑒作用。以下是本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果:
　　 1.針對(duì)DNA微陣列在核酸檢測(cè)方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由線型單鏈

4、DNA探針層、羥基修飾層及氧化硅平面基底三部分組成的分子識(shí)別界面模型,在此基礎(chǔ)上,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了位于羥基表面修飾層上的線型單鏈DNA探針在Na+和Mg2+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)行為。模擬結(jié)果顯示位于分子識(shí)別界面探針層中間位置之線型單鏈DNA探針的運(yùn)動(dòng)變化會(huì)受到外圍DNA探針空間位阻及靜電作用的一定限制；處于中間位置的DNA探針在Mg2+溶液環(huán)境下會(huì)發(fā)生較為顯著的彎曲,而對(duì)界面上DNA探針與靶序列雜交形成之雙鏈DNA

5、在Mg2+溶液環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)模擬分析,卻發(fā)現(xiàn)固定的雙鏈DNA在Mg2+溶液中沒有發(fā)生明顯的彎曲,進(jìn)一步說明Mg2+對(duì)界面上DNA分子的彎曲變化作用僅限于雜交前具有線型單鏈構(gòu)型的DNA探針。
　　 2.針對(duì)DNA微陣列在核酸檢測(cè)方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由線型單鏈DNA探針層、羧基修飾層以及氧化硅平面基底三部分組成的分子識(shí)別界面模型,通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了位于羧基修飾層上之線型單鏈DNA探針在Na+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果

6、表明在受到羧基修飾層表面負(fù)電荷產(chǎn)生之靜電排斥力的作用下,DNA探針層分子的整體姿態(tài)在模擬期間保持了較好的直立狀態(tài),并且DNA探針底端序列及其與氧化硅平面的連接部分顯示出更大的剛性,從而使探針層上的7個(gè)DNA探針均保持了較大的持久長(zhǎng)度。模擬結(jié)果還進(jìn)一步說明羧基修飾層表面的靜電排斥作用能夠?qū)ψ溆谄渖系腄NA探針層起到良好的支撐作用,從而減少DNA探針與修飾層界面相互接觸的機(jī)會(huì),進(jìn)而減小表面位阻作用對(duì)DNA探針結(jié)構(gòu)變化的影響；羧基修飾層的靜

7、電作用還會(huì)減小探針層中DNA片段彼此間相互作用的機(jī)會(huì)。
　　 3.針對(duì)分子信標(biāo)微陣列在核酸檢測(cè)方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由發(fā)夾型DNA探針、羥基修飾層以及氧化硅平面基底三部分組成的分子識(shí)別界面模型,通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了氧化硅平面上發(fā)夾型DNA探針在Na+和Mg2+溶液中的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明發(fā)夾型DNA探針在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中發(fā)生彎曲收縮的程度更大一些,說明發(fā)夾探針的環(huán)部序列在Mg2+溶液中會(huì)受到更大程度

8、的收縮與擠壓作用,從而使環(huán)部序列內(nèi)部堿基之間更容易形成氫鍵；同時(shí),發(fā)夾型探針在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中具有更穩(wěn)定的莖部雙鏈結(jié)構(gòu),從而使發(fā)夾探針整體在Mg2+溶液環(huán)境下保持了穩(wěn)定的發(fā)夾狀二級(jí)結(jié)構(gòu)。另一方面,模擬結(jié)果同時(shí)表明發(fā)夾探針的環(huán)部序列在Na+溶液中比其在Mg2+溶液中具有更大的靈活性,因此能夠產(chǎn)生程度更為劇烈的運(yùn)動(dòng)變化。
　　 4.針對(duì)分子信標(biāo)微陣列在核酸檢測(cè)方面的應(yīng)用,構(gòu)建了由發(fā)夾型DNA探針、羧基修飾層及氧化硅平

9、面基底三部分組成的分子識(shí)別界面模型,通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了位于羧基修飾層表面的發(fā)夾型DNA探針在Mg2+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明,受到羧基修飾層表面靜電排斥力的影響時(shí),發(fā)夾探針莖部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化更加靈活,進(jìn)而引起整個(gè)發(fā)夾探針發(fā)生更加劇烈的構(gòu)象變化,而在這一過程中,探針整體還不斷向平行于界面的方向傾斜。另一方面,發(fā)夾探針在羧基修飾層上比其在羥基修飾層界面上發(fā)生彎曲收縮變化的程度要小,使環(huán)部序列在探針整體劇烈運(yùn)動(dòng)的情

10、況下卻沒有形成穩(wěn)定的氫鍵作用,而發(fā)夾探針的莖部區(qū)域因具有較大靈活性,能夠隨探針環(huán)部區(qū)域的運(yùn)動(dòng)變化做出相應(yīng)調(diào)整,從而始終保持穩(wěn)定的雙鏈構(gòu)象。
　　 5.針對(duì)納米金復(fù)合顆粒在DNA分子識(shí)別方面的應(yīng)用,構(gòu)建了兩種DNA-納米金復(fù)合顆粒的模型,它們分別包被有羥基修飾層和羧基修飾層,通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了納米金球面上的單鏈DNA探針在Na+溶液環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及動(dòng)力學(xué)行為。模擬數(shù)據(jù)表明,DNA探針與納米金表面的連接段在羥基修飾層表面會(huì)發(fā)

11、生明顯的彎曲和傾斜,而在羧基修飾層則會(huì)受到表面靜電排斥作用而保持著一種相對(duì)直立的狀態(tài)。這種探針連接段結(jié)構(gòu)上的差異使得兩種DNA-納米金復(fù)合顆粒在整體的卷曲收縮運(yùn)動(dòng)方面存在較大差異,進(jìn)而使羧基修飾的復(fù)合顆粒比羥基修飾的復(fù)合顆粒總體上具有更大的有效半徑。此外,模擬研究還發(fā)現(xiàn)DNA-納米金復(fù)合顆粒在溶液中可以靈活地運(yùn)動(dòng)變化,從而使顆粒上的DNA探針具有明顯的本體溶液環(huán)境特征；在模擬的大多數(shù)時(shí)間內(nèi),羧基修飾層表面之DNA探針序列靠近5’端的3個(gè)