富勒烯与DNA的相互作用及相关生物效应研究

富勒烯（C60）作为一种广泛应用、有代表性的人工碳纳米材料，它潜在的环境健康效应引起人们极大的关注，但其致毒机制尚不明确。本项目重点研究C60及其衍生物在不同温度、离子强度、光照等实验条件下诱导生成活性氧、自由基的种类和强度；研究这些碳纳米材料与DNA之间的相互作用、作用途径、对DNA的剪切效应、特定DNA的构象、DNA的体外复制效率和精度的影响；研究其遗传毒性以及对斑马鱼胚胎发育的毒性效应。深入探索C60及其衍生物在正常生理条件下造成DNA损伤的过程及致毒机制；探讨这些碳纳米材料的结构、尺寸、形态、表面电荷、剂量等与其生物效应之间的相关性。本项目通过阐明C60的DNA损伤机制，研究和评估C60及其衍生物潜在的生态风险和环境健康效应，可为其在相关领域中的生产与应用提供科学依据，是一项具有重要学术价值和应用前景的创新性研究。

本项目研究了C60在常温非光催化条件下降解pBR322质粒DNA的作用机制以及对DNA、RNA体外复制及逆转录的影响。研究结果表明C60对DNA的剪切效应与助溶剂、反应温度、反应时间和C60浓度相关。在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）助溶的C60反应体系中，质粒DNA可被C60完全降解，利用化学发光法可检测到超氧阴离子的生成，超氧阴离子的生成与反应温度、反应时间和C60浓度相关，SOD酶作为氧自由基淬灭剂可以抑制C60诱导的DNA剪切效应并且淬灭C60产生的超氧阴离子，这说明PVP助溶的C60在常温非光照条件下产生超氧阴离子是导致DNA剪切效应的主要原因。但在C60水溶液反应体系中，质粒DNA不能被完全剪切，但超螺旋的质粒DNA可以转变成线性DNA和开环DNA，在反应体系中所检测到的活性氧种类为单线态氧，其生成同样与反应温度、反应时间和C60浓度相关，单线态氧特定的淬灭剂也能抑制C60对DNA的剪切效应，这说明C60的助溶剂、活性氧的生成和C60的表面性质是影响DNA降解效应的主要因素。进一步的研究结果表明C60可嵌入DNA双螺旋中，降低DNA的熔解温度，干扰DNA构象的稳定性，并能进一步干扰DNA的体外复制。C60还可显著降解28S rRNA，并抑制RNA的逆转录，但添加更多的逆转录酶，可以削弱C60的作用，C60对RNA和RNA酶都有抑制效应，这些结果说明C60可影响核酸构象的稳定性及其相关生物效应。更多的研究结果则表明，C60还可抑制多种细菌的生长，C60的安全生产和使用还需进一步的科学评估。