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近年来,随着纳米生物技术的快速发展,以DNA微阵列、分子信标和纳米复合材料为代表的新型DNA分子检测手段正被越来越多地应用于疾病诊断及食品安全等与生命息息相关的重要领域。为此,深入了解固液界面上固定的DNA探针的构象变化行为不仅对于理解和掌握这些新型DNA检测技术至关重要,同时对于设计、优化DNA分子识别界面从而更好地应用这类核酸检测技术也具有十分重要的理论指导意义。然而到目前为止,人们对于固液界面上DNA探针的结构变化却所知甚少。
尽管目前已有一些实验技术手段可以对固液界面上固定之DNA的结构进行初步表征,然而据此得到的实验数据还无法提供DNA分子内部结构变化的详细情况。因此,为了弥补目前实验手段在这方面存在的不足,也为了从理论层面更好地解释DNA检测系统于固液界面的复杂工作机理,本论文通过分子动力学模拟系统研究了不同构型之DNA探针在氧化硅平面及纳米金表面的结构变化及动力学特性；建立了一整套行之有效的模型构建方法与模拟实施方案,将DNA探针与氧化硅及纳米金等无机材料结合,在CHARMM力场的统一作用下进行有效的分子动力学模拟研究。结果表明本研究采用的模拟方法可以从原子水平对分子识别界面上DNA探针的结构及动力学变化过程进行全面而细致的观测。因此本研究对于更好地应用DNA微阵列与纳米金分子识别技术具有理论指导意义,对于推广分子动力学理论在纳米生物技术领域中的应用也具有借鉴作用。以下是本论文的主要研究内容及成果:
1.针对DNA微阵列在核酸检测方面的应用,构建了由线型单链DNA探针层、羟基修饰层及氧化硅平面基底三部分组成的分子识别界面模型,在此基础上,采用分子动力学模拟的方法研究了位于羟基表面修饰层上的线型单链DNA探针在Na+和Mg2+溶液环境下的结构变化及动力学行为。模拟结果显示位于分子识别界面探针层中间位置之线型单链DNA探针的运动变化会受到外围DNA探针空间位阻及静电作用的一定限制；处于中间位置的DNA探针在Mg2+溶液环境下会发生较为显著的弯曲,而对界面上DNA探针与靶序列杂交形成之双链DNA在Mg2+溶液环境下进行相关模拟分析,却发现固定的双链DNA在Mg2+溶液中没有发生明显的弯曲,进一步说明Mg2+对界面上DNA分子的弯曲变化作用仅限于杂交前具有线型单链构型的DNA探针。
2.针对DNA微阵列在核酸检测方面的应用,构建了由线型单链DNA探针层、羧基修饰层以及氧化硅平面基底三部分组成的分子识别界面模型,通过分子动力学模拟研究了位于羧基修饰层上之线型单链DNA探针在Na+溶液环境下的结构变化及动力学行为。结果表明在受到羧基修饰层表面负电荷产生之静电排斥力的作用下,DNA探针层分子的整体姿态在模拟期间保持了较好的直立状态,并且DNA探针底端序列及其与氧化硅平面的连接部分显示出更大的刚性,从而使探针层上的7个DNA探针均保持了较大的持久长度。模拟结果还进一步说明羧基修饰层表面的静电排斥作用能够对坐落于其上的DNA探针层起到良好的支撑作用,从而减少DNA探针与修饰层界面相互接触的机会,进而减小表面位阻作用对DNA探针结构变化的影响；羧基修饰层的静电作用还会减小探针层中DNA片段彼此间相互作用的机会。
3.针对分子信标微阵列在核酸检测方面的应用,构建了由发夹型DNA探针、羟基修饰层以及氧化硅平面基底三部分组成的分子识别界面模型,通过分子动力学模拟研究了氧化硅平面上发夹型DNA探针在Na+和Mg2+溶液中的结构变化及动力学行为。模拟数据表明发夹型DNA探针在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中发生弯曲收缩的程度更大一些,说明发夹探针的环部序列在Mg2+溶液中会受到更大程度的收缩与挤压作用,从而使环部序列内部碱基之间更容易形成氢键；同时,发夹型探针在Mg2+溶液中比其在Na+溶液中具有更稳定的茎部双链结构,从而使发夹探针整体在Mg2+溶液环境下保持了稳定的发夹状二级结构。另一方面,模拟结果同时表明发夹探针的环部序列在Na+溶液中比其在Mg2+溶液中具有更大的灵活性,因此能够产生程度更为剧烈的运动变化。
4.针对分子信标微阵列在核酸检测方面的应用,构建了由发夹型DNA探针、羧基修饰层及氧化硅平面基底三部分组成的分子识别界面模型,通过分子动力学模拟研究了位于羧基修饰层表面的发夹型DNA探针在Mg2+溶液环境下的结构变化及动力学行为。模拟数据表明,受到羧基修饰层表面静电排斥力的影响时,发夹探针茎部结构的运动变化更加灵活,进而引起整个发夹探针发生更加剧烈的构象变化,而在这一过程中,探针整体还不断向平行于界面的方向倾斜。另一方面,发夹探针在羧基修饰层上比其在羟基修饰层界面上发生弯曲收缩变化的程度要小,使环部序列在探针整体剧烈运动的情况下却没有形成稳定的氢键作用,而发夹探针的茎部区域因具有较大灵活性,能够随探针环部区域的运动变化做出相应调整,从而始终保持稳定的双链构象。
5.针对纳米金复合颗粒在DNA分子识别方面的应用,构建了两种DNA-纳米金复合颗粒的模型,它们分别包被有羟基修饰层和羧基修饰层,通过分子动力学模拟研究了纳米金球面上的单链DNA探针在Na+溶液环境下的结构变化及动力学行为。模拟数据表明,DNA探针与纳米金表面的连接段在羟基修饰层表面会发生明显的弯曲和倾斜,而在羧基修饰层则会受到表面静电排斥作用而保持着一种相对直立的状态。这种探针连接段结构上的差异使得两种DNA-纳米金复合颗粒在整体的卷曲收缩运动方面存在较大差异,进而使羧基修饰的复合颗粒比羟基修饰的复合颗粒总体上具有更大的有效半径。此外,模拟研究还发现DNA-纳米金复合颗粒在溶液中可以灵活地运动变化,从而使颗粒上的DNA探针具有明显的本体溶液环境特征；在模拟的大多数时间内,羧基修饰层表面之DNA探针序列靠近5’端的3个碱基之间能够较好保持连续的碱基堆积作用。