核酸碱基结构修饰的分子设计及其新型DNA结构性质理论表征

鉴于DNA修饰在扩展遗传字母表、丰富遗传信息表达方式、设计DNA分子探针、合成DNA分子导线等方面所表现出的潜在的应用价值，DNA修饰多年来一直是人们关注的焦点课题。本项目围绕DNA碱基修饰的相关问题，力图建立有效的碱基修饰方案。用理论化学方法深入研究修饰碱基的结构性质、电子性质、荧光性质等，并构建以修饰碱基为基本结构单元的修饰DNA螺旋链，对比天然DNA，研究在仿生环境中修饰DNA周围的水合层结构和金属抗衡离子的分布情况，探讨修饰方式和环境因素对修饰DNA的结构及电子光谱性质、氧化损伤以及生成自由基及电荷孔穴沿链迁移机制的影响。考察蛋白质活性基团与修饰DNA作用的动力学性质及机制，以及对修饰DNA有关功能过程机制的调控作用。试图建立修饰结构与功能性质之间的构效关系。此工作对揭示天然及修饰DNA的异同性等具有重要意义，同时对合成DNA基分子导线、荧光探针等分子器件设计也提供重要信息。

鉴于 DNA 修饰在设计合成分子探针和导线等方面的潜在应用，其多年来一直是人们关注的焦点。本项目围绕 DNA 碱基修饰，力图建立有效的碱基修饰方案。用理论化学方法研究修饰碱基的电子结构及荧光等性质，探讨修饰方式和环境因素对修饰 DNA 结构及电磁性质、光谱性质、氧化破坏等的影响。试图建立修饰结构与功能性质间的构效关系。课题组圆满完成了计划书中所列全部研究内容。主要成果与创新简述如下：.一）扩环修饰：通过扩环修饰设计出一些嘌呤和嘧啶的衍生物并研究其结构和电子性质，发现其电子特性均有极大改善，传导性和电子横向通讯明显增强；对萘扩环的yy-碱基的光物理性质研究发现，yyA是绿色荧光团，yyG是黄色荧光团，甲醇溶液使四个yy-碱基最大吸收波长的吸光度大大增强；设计了四个G-类似物并研究其电子光谱性质，G-类似物具有比天然G更大的荧光量子产率，且C配对对G、A、xG的荧光量子产率具有不同程度的调控；用环戊二烯自由基对核酸碱修饰可得自由基化的碱基，其碱对和组装体呈现丰富的磁性特征，表现出正常DNA不具有的铁磁或反铁磁性。二）金属修饰：设计了多铜介导的天然和错配碱基对（G3CuC、A2CuT、G3CuT、A2CuC），其电子通讯均明显增强，显示出其在DNA电传导方面的潜在应用。还通过一些可测的导电性指标如电流来反映铜修饰对DNA导电性的影响，验证了铜修饰对配对碱基之间横向电子通讯和纵向传导能力的促进。三）损伤、保护及机理：研究了核酸碱基与C60的相互作用，证明了C60能在一定程度上保护其免于受激辐射；内嵌金属Li@C60和氨基酸与G自由基阳离子的相互作用对碱基免受氧化或辐射损伤有积极作用；核磁性质的研究表明碱基对间跨N-H…N氢键的2hJNN偶合作用及化学位移可作为判定碱基损伤的新依据。四）负解离能现象：在俘获空穴的三螺旋DNA中亚稳氢键解离和抗衡离子Na+解离过程中，发现新的能量学现象——负解离能现象。五）电磁及电传导性：DNA碱基中双质子转移使碱基对横向电子通讯增强；质子化精氨酸与鸟嘌呤相互作用对空穴迁移机理有影响。.我们围绕国际上较新的DNA修饰课题，设计全新的碱基修饰结构，结合量子化学和分子力学模拟等方法研究其结构、性能等，项目具备特色结构、新颖思路、创新方法等特点，为 DNA修饰结构的实验合成及表征以及修饰DNA用于分子导线等潜在应用提供了理论指导。