原子尺度下研究DNA互补碱基及其衍生物在固体表面识别配对机理

DNA是遗传信息的载体，其双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都极为重要。由氢键主导的Watson-Crick碱基特异性配对一直被认为是DNA高度保真自我复制的先决条件，但其它基本驱动力（如碱基堆积力、立体位阻等）也不容忽视。本申请项目拟利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）结合密度泛函理论（DFT）在原子尺度下系统对比研究DNA碱基及其衍生物（选择从简单的化学修饰的碱基到自然界存在的核苷再到核苷酸分子，以期逐步接近真实DNA分子组成单元）在表面识别配对机理。旨在定量研究Watson-Crick氢键、碱基堆积力、立体位阻在碱基分子识别配对中各自的作用及影响，进而揭示DNA双螺旋结构成因及其高度保真自我复制机制。利用表面科学的方法研究经典生物模型体系将为从更深层次上理解、揭示自然界复杂生物体系的工作机制提供理论依据。

1953年Watson和Crick发现了迷人的DNA双螺旋结构并提出了碱基互补配对原则即A-T和G-C形成Watson-Crick碱基对。这个由氢键主导的碱基特异性配对被认为在DNA复制过程中起到了至关重要的作用，另外，金属在核酸的生物合成、构象维持、功能发挥与调控等方面同样起着重要的作用。本项目利用超高真空扫描隧道显微镜在单分子尺度成像并结合密度泛函理论计算在原子尺度建模系统研究了DNA碱基及其衍生物在表面识别配对机理以及金属与DNA碱基（对）相互作用的物理化学本质。比如，通过研究碱基鸟嘌呤G在金属表面与金属镍原子Ni的相互作用，我们发现G分子与Ni原子通过配位键和分子间氢键的协同作用形成了二维金属有机框架结构，并且揭示了由于G分子和Ni原子在特定位点的优先配位自发地抑制了G分子的互变异构行为；另外，我们首次在金属表面形成孤立的金属Fe-鸟嘌呤G四分体结构，并研究了此类结构的形成机制：除了四个碱基G分子间的氢键，金属中心Fe通过配位作用起着主导因素；我们还研究了金属Ni对于胞嘧啶C在金属表面自组装结构的影响。研究表明，直接将C分子沉积在Au(111)表面时，C分子通过氢键形成一维无序链状结构。然而，引入Ni原子之后，一维链状结构转变成了离散分布的零维金属有机团簇。理论计算结果表明，离散分布是由于这种团簇之间的排斥力导致的；而后，我们进一步通过研究胸腺嘧啶T与Ni原子的相互作用，首次在金属表面形成由两种不同作用力驱动（配位键主导和氢键主导）的结构基元交替排列的杂化结构；我们进而继续研究了尿嘧啶U与Ni原子在表面形成的金属有机团簇。利用STM横向操纵技术，我们识别了金属有机团簇中不同的作用力（配位键和氢键）并实现了对氢键的可控“剪切”和“缝合”。综上，利用表面科学的方法在单原子单分子水平研究经典生物模型体系将为从更深层次上理解、揭示自然界复杂生物体系的工作机制提供理论依据。