关键词：
DNA修饰
双氨基嘌呤
DNA甲基化
纳米孔DNA测序
摘要：
本论文主要包含DNA的氨基修饰和二维材料纳米孔DNA测序两部分内容。第一部分基于密度泛函理论并结合非平衡态格林函数方法,研究了腺嘌呤氨基修饰对DNA导电性的影响;第二部分采用分子动力学模拟,研究了基于二维材料纳米孔的DNA测序和甲基化识别。主要研究内容简述如下:本论文第一部分主要研究的是氨基修饰对DNA导电性的影响。由于DNA分子具有自我识别、自组装等优良特性,因而成为构建分子器件的候选材料。但是天然DNA直接应用于分子器件还存在一定的局限性,因此进行DNA修饰具有重要意义。本论文通过理论计算,详细研究了腺嘌呤(A)碳2位氨基修饰(形成的碱基为双氨基嘌呤,简写为D)对DNA几何性质、电子性质和电荷输运性质的影响。首先,比较修饰前后的几何构型,发现氨基修饰后的碱基对DT(D与胸腺嘧啶T配对形成的碱基对)之间,相比于天然碱基对AT形成了新的氢键,并且保持了DNA结构的稳定性。然后,分析其电子性质,结果表明,氨基修饰后体系的能隙和电离能大幅度降低,紫外吸收光谱发生了红移现象,并增加了一些电荷转移跃迁。更重要的是,我们比较分析了修饰前后沿氢键方向和沿DNA链方向的电子输运性质,通过实验可测的电学指标,证实了氨基修饰确实能够增强DNA的导电性。本部分研究的创新之处在于,阐明了氨基修饰增强DNA导电性的内在机理:氨基修饰使DT碱基对的HOMO能级比天然AT更加接近于GC(鸟嘌呤G-胞嘧啶C形成的碱基对)的HOMO能级,从而减小了DNA链中空穴跃迁的势垒。本项工作将会对DNA基分子器件的设计提供一定的理论指导。论文第二部分的重点是利用二维材料纳米孔进行DNA测序的研究,特别是对DNA甲基化的识别。使用的二维材料主要有二硫化钼和六方氮化硼。DNA测序具有重要的生物和物理意义。迄今为止,一般认为DNA测序技术经历了三代的发展。相比传统测序的方法,纳米孔测序具有速度快、准确率高、价格低廉等优势。近年来,石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等二维材料的出现,为纳米孔DNA测序方法提供了新的应用前景。除了进行天然碱基的测序,准确识别胞嘧啶C的甲基化(主要是5mC)在癌症的早期检测中具有重要意义。我们采用分子动力学方法,模拟了五种(四种天然碱基和5mC)不同的单链DNA在不同电场作用下,穿过二硫化钼纳米孔的过程。在4V偏压下,比较了不同单链DNA通过二硫化钼纳米孔的穿孔行为、平均离子电流的大小,以及离子电流正态分布的分析。结果表明,5mC与胞嘧啶(C)可以有较好的区分,但5mC与其它三个天然碱基的差别不是很明显。我们还比较了3V偏压下,5mC和C构成的两种不同的单链DNA的穿孔过程。结果表明,在3V偏压时也能够实现5mC核苷酸和C碱基的识别。无论是在3V偏压下还是在4V偏压下,都可以实现碱基5mC和C的识别。但通过比较两种体系的平均离子电流,发现在3V偏压下,对碱基5mC和C的区分效果比4V偏压下更好。在第二部分中,我们还研究了六方氮化硼纳米孔的DNA测序。采用分子动力学方法,模拟了两种(基本单元为C和5mC)不同的单链DNA在电场作用下穿过六方氮化硼纳米孔的过程。研究结果表明,在4V偏压下,能够区分5mC与C形成的单链DNA,也就是说可以初步实现甲基化的识别。
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