单链DNA在氧化石墨烯上吸附的理论研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 马慧姝 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 张益 |
| 关键词 | 单链DNA 氧化石墨烯 吸附 表面氧化程度 分子动力学模拟 |
| 英文摘要 | DNA是生物体遗传信息最重要的载体,负责提供创建生物体的结构和功能所需的全套信息,对于生物体的生长发育具有决定性的作用。近年来,随着纳米技术的飞速发展,研究工作者逐渐认识到DNA分子具备的稳定结构、特异性碱基配对、高信息量存储的特点以及分子识别功能,使其可以作为分子器件与许多纳米材料进行耦合,从而发挥出复合材料优异独特的性能。特别是,DNA与纳米材料进行功能性整合可以产生多种复合纳米材料,两种成分的协同活性促使复合纳米材料显示出独特的性能,在生物传感器、生物医学、纳米技术和材料科学等领域展现出重大的研究价值和广阔的市场前景。近年来,碳纳米材料作为冉冉升起的新星活跃在许多研究领域。其中,石墨烯材料作为二十一世纪最重要的新型材料,具有众多独特的物理化学特性,在锂离子电池、高分子复合材料、电子器件散热等领域都具有广泛的应用前景。氧化石墨烯是石墨烯对应的氧化物,因其含氧功能性以及较好的生物相容性引起了研究者的极大关注,在很多方面已经开展了广泛的研究,且表现出良好的应用前景。理论和实验研究均表明氧化石墨烯表面同时含有大的非氧化区和氧化区,有趣的是,由于空间效应,即使在氧化区,也存在一些类似于“岛”状结构的sp~2杂化区的小区域。通过物理吸附或化学结合,氧化石墨烯可以与蛋白质、适体、DNA等进行功能化,并广泛应用于生物传感器、生物医学和纳米技术等领域。因此,深入研究和理解氧化石墨烯与DNA的相互作用及其动力学行为对于拓展功能复合材料的应用显得尤为重要。DNA在氧化石墨烯上的吸附受很多因素的影响,例如常见的温度、盐浓度、PH值、DNA的序列和长度、氧化石墨烯的氧化度等等。然而以往有关DNA在氧化石墨烯上吸附的理论研究,大都没有考虑氧化石墨烯大的非氧化区和氧化区共存的结构特点。本论文基于氧化位点具有高度相关性的Shi-Tu氧化石墨烯模型,采用分子动力学模拟的方法,首先探究了单链DNA在氧化石墨烯上吸附的序列特征。单核苷酸在氧化石墨烯表面的吸附亲和性顺序为G>A>C>T。对于多核苷酸ss DNA,聚胸腺嘧啶(T_(12))与氧化石墨烯表面的相互作用能最强,这与单核苷酸的结果是相反的。DNA碱基与氧化石墨烯形成的角度分布表明,与聚腺嘌呤(A_(12))、聚胞嘧啶(C_(12))或聚鸟嘌呤(G_(12))相比,T_(12)更可能与氧化石墨烯形成类平行结构,其角度分布集中在0°-10°。我们将这一吸附特征归因于胸腺嘧啶最弱的π堆积相互作用。T_(12)分子间较弱的π-π堆积使其能够在氧化石墨烯表面滑移,从而调整构型以形成更加稳定的吸附结构。我们的理论研究结果还指出,G_(12)在氧化石墨烯表面容易形成卷曲的吸附结构。这一发现有助于进一步理解DNA与氧化石墨烯的相互作用,为改进用于DNA测序的纳米材料提供了参考意义,为未来单链DNA在氧化石墨烯上吸附的实验研究提供了理论指导。随后,我们还探究了不同长度单链DNA在氧化石墨烯表面的吸附行为,并对吸附后的构型进行了细致的分析。吸附后ss DNA的碱基相对于氧化石墨烯呈现三类状态:直接堆积、多级堆积和不堆积。通过对三类碱基结构的分析,统计了ss DNA与氧化石墨烯形成的π-π堆积数目,预测了长链ss DNA在氧化石墨烯表面的吸附效率为43%。通过对其吸附动力学过程的研究,我们发现吸附行为更容易开始于氧化石墨烯表面的亲疏水交界区域,这归因于交界区域的氢键非常活跃,容易在吸附过程中断裂或形成。因而与单独的氧化区相比,ss DNA更容易捕捉到交界区域的氢键。该工作首次揭示了不同长度单链DNA在氧化石墨烯表面吸附的动力学行为以及吸附特征,提供了DNA与氧化石墨烯相互作用的微观细节,为后续的实验和理论研究提供了参考。此外,氧化石墨烯上含氧官能团的类型和含量的差异使得其表现出新奇的物理化学特性。基于Shi-Tu模型,我们构建了不同氧化程度的石墨烯基表面(氧化程度从0%到25%),探究表面氧化程度对单链DNA吸附的影响。稳定吸附后,分析ss DNA与石墨烯基表面的相互作用能,发现当氧化程度为15%时,相互作用能最大。分别考虑静电和范德华相互作用能的贡献,随着氧化程度的增加,静电相互作用能逐渐增大。而范德华相互作用能并不随氧化程度单调变化,石墨烯与ss DNA的范德华相互作用能最大;对于氧化石墨烯而言,氧化程度为15%的氧化石墨烯表面与ss DNA的范德华相互作用能最大。ss DNA和石墨烯基表面形成π-π堆积的平均数目也证实了这一结果。平均归一化回旋半径的结果指出,当氧化程度为15%时,ss DNA的吸附构型最松弛。与此同时,π-π堆积碱基的角度分布显示,石墨烯基表面的氧化程度越低,ss DNA核碱基与石墨烯基表面形成类平行结构的比例越大。进一步的,ss DNA稳定吸附后的扩散以及质心位移表明,ss DNA更易在低氧化程度表面上移动。随着氧化程度的增加,氧化基团与ss DNA的相互作用增强,使得其较难移动。该工作揭示了单链DNA在不同氧化程度石墨烯基表面的吸附,为优化石墨烯基表面的氧化度以用于新的生物应用提供了指导,有助于开发更高效的氧化石墨烯生物传感器。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33885]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 马慧姝. 单链DNA在氧化石墨烯上吸附的理论研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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