可用于纳米孔DNA识别测序的小分子的设计合成及其与DNA碱基和核苷酸的相互作用研究

The tunneling electrodes functionalized with universal reader, could trap nucleosides in a specific orientation and identify a single base flanked by other bases in short DNA oligomers. However, there are significant overlaps of electric signal peaks, which would compromise the base-calling accuracy. Although the selectivity of current universal base reader can be improved by optimizing the experimental conditions and including other characteristics of the tunneling noise, a highly discriminating universal reader molecule will ultimately fulfill a better resolution and simplified data analysis. In this work, we are going to develop new universal base reader with optimitzd H-bonds recognition moiety, aromatic ring and mercapto group, and investigate interactions between base readers and nucleobases and nucleotides in the organic phase or aqueous phase with UV, NMR,ITC, SPR, etc.. Meanwhile, we are going to prepare a molecule with two recognition moiety, which presumably interacts with DNA bases through hydrogen bonding, and investigate its interactions with nucleobases and nucleotides in the organic phase or aqueous phase with UV, NMR,DFT etc.. Based on theses data, we will draft a set of general guidelines for design of a univesal reader and get next generation universal DNA base reader.

万能DNA碱基读取探针分子(Universal DNA Base Reader)是纳米孔DNA识别测序技术的核心组成部分。本课题拟设计合成得到一系列氢键识别官能团优化、芳环优化和金属电极连接基团优化的探针分子。利用UV、NMR、ITC等技术研究探针分子与碱基和核苷酸在有机相或水相中的相互作用，理解各个基团对分子识别能力的贡献；利用SPR等技术研究金属表面分子与核苷酸的相互作用，理解自由分子和金属表面分子识别能力的不同；利用STM研究探针分子对核苷酸的电流区分能力，理解纳米孔环境与其他环境中分子识别的不同。同时，本课题拟合成含有两个识别官能团的分子，利用UV、NMR和DFT理论模拟等方法模拟研究纳米孔中两个探针分子与一个DNA结构单元的相互作用；培育单晶，解析晶体结构。为设计合成识别能力和导电能力更强的万能DNA碱基读取探针分子提供理论基础和实验依据。

利用纳米孔(Nanopore)来进行DNA测序是目前非常活跃的领域。在项目资助下，项目组成员尝试优化识别分子，优化纳米孔道，通过先进的纳米电极化学修饰及超分子识别进一步增强信号强度和灵敏度，继而开发出具有商业化应用前景的单分子识别仪，并开展单分子识别仪在基因组测序领域的实践研究。其中，二硫代氨基咪唑甲酰胺作为识别分子采集得到的隧道电流信号，85%以上可以用于区分碱基；理论研究表明，含巯基丙炔基的1,8-萘啶-2,7-二胺分子可以用于DNA双链识别测序；离子注入或多巴胺还原，可以向碳材料引入金属纳米颗粒，改善其电化学性能；自主研发单分子识别仪，基于葫芦脲大环进行单分子识别研究；此外，葫芦脲可组装含尖端金纳米颗粒，表现出明显的肿瘤杀灭能力。项目实施期间，已发表标注基金资助项目号的SCI源期刊论文19篇，申请专利8项（已授权3项）；承办和协办国内学术会议2次，在多个学术会议上进行了交流；培养6名研究生获得硕士学位；2017年团队入选“湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队”。预期目标基本达到。