核苷酸的前生物自组装与遗传信息传递的化学机制

Nucleotide is the basic unit of DNA/RNA and possesses important biochemical functions, participating almost all the biochemical reactions in vivo. So, the prebiotic assembly of nucleotides plays important role on revealing the chemical origins of life and understanding the chemical nature of the biological phenomenon in molecular level. The mechanism of multi-component assembly of nucleotide will be systematically studied in this project using computational chemistry and molecular dynamics simulations. The prior selectivity and the original driven source of the self-assemble reaction will be revealed, and the control factors of regioselectivity, stereoselectivity and diastereoselectivity of the reactions will also be clarified. The laws of the affect of covalent interactions, non-covalent interactions and molecular spatial structure to the electron population will be explored through computing the electron density of the molecule from monomer to polymer.The chemical basis of the genetic information of the RNA/DNA will be discussed. Furthermore, the chemical nature of prebiotic assembly and information transfer of nucleotide will be uncovered in micro level.

核苷酸是DNA/RNA的基本组成单位，具有重要的生物化学功能，其参与了生物体内几乎所有的生物化学反应，因此对核苷酸的前生物合成研究，对于揭示生命的化学起源，进而从分子层面上深入了解生命现象的化学本质具有重要的科学意义。本项目利用计算化学方法和分子动力学模拟，系统研究多组分组装核苷酸的反应机理，揭示自组装过程的优先选择性和反应的源动力问题，阐明反应的区域选择性、立体选择性、非对映选择性的控制因素。通过计算从单体到不同长度片段的电子密度，探究共价相互作用、非共价相互作用、分子的空间结构等对电子布居及其变化的影响规律，初步了解RNA/DNA遗传信息的化学基础，进而从微观层面上揭示核苷酸的前生物组装和信息传递的化学本质。

核苷酸是DNA/RNA的基本组成单位,具有重要的生物化学功能，其参与了生物体内几乎所有的生物化学反应。对核苷酸的前生物组装研究，对于揭示生命的化学起源，进而从分子层面上深入了解生命现象的化学本质具有重要的科学意义。本项目即以此为目标，利用计算化学和分子动力学模拟的方法，对核苷酸的前生物组装和遗传信息传递机制进行了全面系统的研究。项目的主要研究内容包括：(1)天然核糖核苷酸多组分组装机制。我们分别研究了嘌呤核糖核苷酸和嘧啶核糖核苷酸的组装机制，揭示了多组分组装反应的非对映选择性是由亲核加成步骤中进攻方向以及手性环境控制的。基于C-C,C-N糖苷键的形成机制，提出了C-C糖苷键形成的碱基模型, 该结果为进一步探索寡核苷酸的前生物组装和生命起源的深入理解提供了重要参考。(2)核苷酸碱基修复的化学机制。通过三种不同催化剂脱除修复核碱基甲醛加成物的催化机理的探究，发现邻氨基苯磷酸盐在动力学和热力学方面都是最有效的催化剂。该结果对设计合成更优的双功能催化剂以及核苷酸的其他损伤修复提供了理论指导。(3)非天然核苷酸DNA链的螺旋结构、电子密度及结合力的变化规律。研究了非天然碱基与天然碱基的非共价相互作用（氢键、π-π堆积）及其对DNA螺旋结构的影响，为设计和开发新型的具有生物功能的非天然碱基对提供新思路，同时为探索遗传信息的传递机制提供理论基础。(4)含有新型荧光碱基的DNA链的结构和荧光性能。探索了核碱基电子结构与荧光性能的关系，以及DNA双螺旋环境对荧光性能的影响，为遗传信息转录、复制过程中分子成像研究奠定了理论基础。总之，本项目圆满完成预定的研究目标和任务，研究成果对于揭示生命的化学起源以及DNA表达过程的化学机制具有重要的指导意义。