DNA双螺旋结构介导的电荷传递研究取得新进展

2012/09/27 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

电荷如何沿着DNA双螺旋结构的传递是引起广泛关注和争议的问题,它对于生物电子学的发展具有重要意义,并预示着通过DNA构建分子电路的前景。近期,中国科学院上海应用物理所物理生物学实验室通过与美国亚利桑那州立大学和上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家实验室合作,发展了一种固定在金电极表面的三维DNA纳米结构框架,为DNA双螺旋结构介导的界面电荷耦合传递提供了新的证据。该项工作于近日发表在国际权威学术杂志《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134,13148)。

研究DNA双螺旋结构介导的界面电荷传递的关键技术是获得一个有序的界面DNA单分子层。然而,通过巯基修饰的双链DNA在金表面自组装这一常规技术很难保证获得一个理想的单分子层。之前的研究表明,致密的DNA单分子层内存在着DNA链之间的缠绕和局域聚集;而稀疏的DNA单分子层则容易发生DNA链的弯曲倒伏,不能保证组装的DNA双链能够有序站立在金表面。因此尽管已有多项工作获得了DNA双螺旋结构介导界面电荷耦合传递的初步证据, DNA单分子层内的无序性仍然给这些工作的结论带来了不确定性。为了解决这一矛盾,在樊春海研究员和颜颢教授的指导下,鲁娜和裴昊博士等科研人员利用实验室发展的界面三维DNA纳米结构框架这一独特体系对电荷传递进行了研究。之前的研究表明,DNA四面体结构具有很好的机械刚性和结构稳定性,通过底部三个顶点的修饰巯基可以牢固锚定在金电极表面,形成有序的界面单分子层(Adv. Mater., 2010, 22, 4754),且其框架结构限定了DNA双链与电极表面的取向,克服了常规DNA单分子层研究中存在的局域聚集和弯曲倒伏等问题,为DNA单分子层的电荷传递研究提供了新的研究方法。

研究表明,当嵌入型的亚甲基蓝(MB)分子修饰在DNA链上后,可以插入到DNA双链内,并与DNA双链间碱基堆积的大π键有效耦合,电荷传递的速率不受DNA双链长度的影响。相反,当使用非嵌入型的氧化还原探针分子二茂铁时,由于其不能插入DNA双链,电荷传递速率与其和金电极之间的距离相关,即距离越大,电荷传递速率越慢。这一基于界面三维DNA纳米结构框架的研究,一方面为DNA双螺旋结构介导的界面电荷传递提供了直接的证据,另一方面也为基于DNA分子的纳电子器件和生物传感器提供了一个良好的平台。 

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