（凝聚态物理专业论文）dna分子电子结构及输运性能的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 自1 9 6 2 年e l e y 和s p i v e y 提出d n a 可能具有导电能力以来，d n a 的内在载流子传递特性已经引起了人们的广泛关注，并成为多学科交叉 领域的研究热点，因为d n a 在分子电子学领域具有潜在的应用价值，并 且这将有助于理解d n a 的氧化损伤过程和蛋白质合成机理。然而，不同 工作组的实验结果显示：d n a 可能为导体、半导体或者绝缘体。这非常 需要人们从理论角度来模拟d n a ，并给出合理的解释，进而了解d n a 的 导电机制和动力学特征。本论文正是从该角度来探讨d n a 的内在属性 的。 绪论部分详细地论述了d n a 的化学组成和几何结构，并介绍了d n a 的研究进展和研究方法。基于d n a 的复杂性，我们采取了简化的模型， 并建立了d n a 的一维二元随机序列模型，提出了一维d n a 随机序列的产 生方法。利用负本征值理论和无限阶微扰理论，计算了不同碱基序列和 温度条件下的d n a 分子态密度、局域长度和态函数，并进行了比照。研 究结果表明：( 1 ) 长序列d n a 的电子态均为局域态，电子只能以跃迁的 方式进行传递。( 2 ) d n a 的导电行为随着碱基序列的变化而变化，可能 表现为导体、半导体或者绝缘体。( 3 ) 随着温度的升高，碱基对间的结 构涨落越剧烈，非对角无序效应越明显。( 4 ) 存在一个温度阈值砟， 当温度低于耳时，d n a 分子局域长度随着温度的升高而迅速地减少，局 域态变得更加局域化；当温度高于露时，局域长度几乎不随温度而变 化。( 5 ) 定量地描述了d n a 分子局域长度与温度的关系，并给出了一个 改进的公式，在低温和高温区域都能很好地描述理论计算结果。( 6 ) 随 着温度的升高，声子的作用越来越明显，将有助于电子在d n a 分子内的 跃迁，同时d n a 的电导率增大，可能的机理是变程跃迁。 另外，利用传输矩阵方法，计算了序列长度、碱基对相对含量和非 对角关联情形下的d n a 分子的透射系数和局域长度。研究结果表明：( 1 ) 对于随机的d n a 序列，共振现象将随着碱基对个数的增加而逐渐消失。 ( 2 ) d n a 分子输运电子的能力随着碱基对a = t 的相对含量p 的增大先减 少后增大，转折点满足p 0 5 。( 3 ) 黄金关联和局域关联是一种比较强 的关联形式，可以显著地增强d n a 分子输运电子的能力，而安德逊模型 下的d n a 分子的电子输运能力随着序列长度的增加而急剧地减少。 关键词：d n a ，态密度，局域长度，温度，传输矩阵 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h en a t u r eo fd n a m e d i a t e dc h a r g em i g r a t i o nh a s t r i g g e r e de x t e n s i v e a t t e n t i o na m o n gp h y s i c s ，c h e m i s t r ya n db i o l o g y c o m m u n i t i e s a n dh a sb e e nt h es u b j e c to fi n t e n s ed e b a t es i n c et h eo r i g i n a l d i s c u s s i o nb ye l e ya n ds p i v e yi n19 6 2t h a td n a m i g h tb ec o n d u c t o r s ， o w i n gt ot h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm o l e c u l a re l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g a n du n d e r s t a n d i n gt h ed a m a g er e c o g n i t i o np r o c e s sa n dp r o t e i nb i n d i n g n e v e r t h e l e s s ，d i r e c tc h a r g et r a n s p o r tm e a s u r e m e n t so fd n ad on o ty e t y i e l dac o n s e n s u st h a tt h e ym i g h tb ec o n d u c t o r s ，s e m i c o n d u c t o r s ，o r i n s u l a t o r s t h e s ec o n t r o v e r s i a lr e s u l t sn e e dt ob ee x p l a i n e dr e a s o n a b l y a n dl c a dt os i m u l a t ed n af r o mat h e o r e t i c a lp e r s p e c t i v e t h a tw i l lf u r t h e r o u ru n d e r s t a n d i n go f t h ec o n d u c t i o nm e c h a n i s ma n dd y n a m i c a lf e a t u r eo f d n a t h e s e ，h o w e v e r , m o t i v a t eu st os t u d yt h ei n t r i n s i cf e a t u r eo f d n a t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dg e o m e t r i c a ls t r u c t u r ea r ep r e s e n t e di n c h a p t e ro n e w h i l et h ea d v a n c ea n da p p r o a c h e si nd n a a r ei n t r o d u c e di n c h a p t e rt w o s i n c ed n a ss t r u c t u r ea n ds e q u e n c ea r ei n t r i c a t e ，as i m p l e b u te r i e c t i v et i g h t b i n d i n gm o d e li sc o n s t r u c t e d i nt h i sm o d e l d n aa r e c o n s i d e r e da so n e d i m e n s i o n a lb i n a r yd i s o r d e r e ds y s t e m ，w h e r ean e w m e t h o df o rc r e a t i n gt h es e q u e n c ei sp r o p o s e d w i t ht h eh e l po fd e a n s n e g a t i v ee i g e n v a l u et h e o r ya n dw u si n f i n i t eo r d e rp e r t u r b a t i o nm e t h o d ， t h ed e n s i t yo fs t a t e ，l o c a l i z a t i o nl e n g t ha n de l e c t r o nw a v e - f u n c t i o na r e c a l c u l a t e da n dc o m p a r e db yc o n s i d e r i n gd i f f e r e n td n as e q u e n c e sa n d t e m p e r a t u r e a n do u rr e s u l t si n d i c a t et h a t ：( 1 ) t h ee l e c t r o nw a v e f u n c t i o n o fl o n gd n am o l e c u l e si sl o c a l i z e da n de l e c t r o n sc a no n l yh o pa m o n g t h e s el o c a l i z a t i o ns t a t e ( 2 ) t _ 1 1 ec o n d u c t i n gb e h a v i o r sd e p e n do nd n a s s e q u e n c ea n dm a yr a n g ef r o mc o n d u c t o r s ，s e m i c o n d u c t o r st oi n s u l a t o r s ( 3 ) t h eo f f - d i a g o n a ld i s o r d e re f f e c tw i l lb em o r eo b v i o u sw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r ed u et os t r o n g e rt h e r m a ls t r u c t u r ef l u c t u a t i o n s ( 4 ) t h e r e e x i s t sac r o s s o v e ro ft e m p e r a t u r e b e l o wt h ec r o s s o v e lt h el o c a l i z a t i o n l e n g t hd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ea n de l e c t r o n s t a r e sw i l lb ef u r t h e rl o c a l i z e d ，w h e r e a sa b o v ei t ，t h el o c a l i z a t i o nl e n g t h t e n d st o w a r dt e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n c e ( 5 ) a no r i g i n a lf o r m u l ai sp u t f o r w a r dt od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o c a l i z a t i o nl e n g t ha n d 中南大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r e ，w h i c hi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ( 6 ) w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h ee f f e c to f p h o n o nb e c o m e sm o r eo b v i o u s a n dw i l lb ef a v o r a b l ef o rc o n v e y i n gc h a r g ec a r r i e r st h r o u g hd n ac h a i n s m e a n w h i l e t h ec o n d u c t i v i t yo fd n ai n c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r ea n dt h e c o n d u c t i o nm e c h a n i s mm a yb et h ev a r i a b l er a n g eh o p p i n g o nt h eo t h e rh a n d ，t h et r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n ta n dl o c a l i z a t i o n l e n g t ha r ec o m p u t e db yc o n s i d e r i n gt h es e q u e n c el e n g t h ，b a s ep a i r s p e r c e n t a g ea n do f f - d i a g o n a lc o r r e l a t i o nu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h er e s o n a n tp h e n o m e n o nw i l lb e g r a d u a l l yd i s a p p e a r e d w i t hi n c r e a s i n gl e n g t hf o rr a n d o md n ac h a i n s ( 2 ) t h et r a n s m i s s i o na b i l i t yo fd n aw i l lf i r s t l yi n c r e a s ew i t hpa n dt h e n d e c r e a s ew i t hi t ( 3 ) s i n c et h eg o l d e nc o r r e l a t i o na n dl o c a lc o r r e l a t i o nc a n c o n s i d e r a b l ye n h a n c et h et r a n s m i s s i o na b i l i t yo fd n a w ec o n c l u d et h a t t h e s ec o r r e l a t i o n sa r es t r o n g e rt h a no t h e r s ，h i l ef o rt h ea n d e r s o nm o d e l t h ea b i l i t yw i l ld r a m a t i c a l l yd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gl e n g t h k e yw o r d s ：d n a ，d e n s i t yo fs t a t e ，l o c a l i z a t i o nl e n g t h ，t e m p e r a t u r e , t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 号l 言 第一章绪论 1 9 4 4 年a v e r y 等人首次证明d n a ( d e o x y r i b o s en u c l e i ca c i d ) 是细菌遗传 性状的转化因子，进而提出d n a 是遗传物质的概念。而为分子生物学的研究奠定 坚实基础的则是1 9 5 3 年美国科学家w a t s o n 和英国科学家c r i c k 共同创造性地提 出d n a 的双螺旋结构模型“3 ，自此d n a 就成为分子生物学、生物信息学、遗传学、 医学、物理学和化学等领域的重要研究对象。作为遗传物质的d n a 具有以下特性： ( 1 ) 贮存并表达遗传信息；( 2 ) 能把遗传信息传递给予代；( 3 ) 物理和化学性 质稳定：( 4 ) 有遗传和变异的功能。而遗传信息的传递和表达不但在酶的催化作 用下进行，而且还在蛋白质的调控下进行。蛋白质的合成依赖于核酸的编码或合 成的模板，同时d n a 还能阕读和传递细胞内的遗传信息，起到生物催化作用，是 生化反应的一种催化剂，因此决定着生物体的基本特征。 同时d n a 也是遗传信息的载体，每一种生物体的遗传信息都以密码的形式编 码在d n a 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过d n a 的复制传给子代。 在后代的生长发育过程中，遗传信息由d n a 转录给m r n a ( m e s s a g e r i b o n u c l e o t i d e ) ，然后以之为模板翻译成特定的蛋白质序列，通过蛋白质的加 工、修饰形成一定的空间构象，以执行各种生物功能。在转录过程中，酶对d n a 施加力和力矩的作用，使d n a 由双链解成单链，发生局部变性。特定的核苷酸排 列顺序贮存的遗传信息，与生物体的生长、发育等正常生命活动以及病变、突变 等异常生命活动密切相关，这一切均与d n a 内的电子传递特性息息相关。 自1 9 6 2 年e l e y 和s p i v e y 嘲提出碱基对中耳一的堆积相互作用可以使d n a 分子具有导电行为以来，人们已经做了大量关于d n a 的工作，并取得了令人瞩目 的成就。虽然如此，但人们还没有完全了解它的导电机制、动力学特征以及外界 环境因素对其的影响。另外，进一步研究d n a 的序列和结构与其功能的关系，以 及外界环境因素对其特性( 如电子结构和导电能力等) 的影响，将有助于从分子 水平了解生命现象的本质，有助于从基因水平了解某些疾病的机理；通过这些研 究还将有助于核酸分子的设计和改造，合成出具有特定结构和功能的核酸分子， 满足基因诊断、治疗和其他生物技术应用的需要；还将有助于为设计d n a 纳米器 件，有助于了解d n a 分子的损伤修复过程。这些工作具有相当的前沿性、探索性 和创新性。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2d n a 分子的化学组成 组成d n a 分子的基本结构单元是脱氧核苷酸，而每个脱氧核苷酸包含一个脱 氧五碳核糖，一个含氮碱基和一个磷酸o ，。 1 2 1 碱基 d n a 分子中的碱基可分两类：嘌呤碱和嘧啶碱。嘌呤碱是母体化合物嘌呤的 衍生物，包括腺嘌呤( a d e n i n e ，a ) 和鸟嘌呤( g u a n i n e ，g ) 两种( 如图卜1 所示) 。相应的嘧啶碱则是由母体化合物嘧啶衍生而来的，有胞嘧啶( c y t o s i n e ， c ) 和胸腺嘧啶( t h y m i n e ，t ) 两种( 如图卜i 所示) 。其中嘌呤碱( a 和g ) 包 含两个杂环，嘧啶碱( c 和t ) 只含一个杂环。 图卜1d n a 分子中的四种碱基( a ) 腺嘌呤( b ) 乌嘌呤( c ) 胞嘧啶( d ) 胸腺嘧晓 1 2 2 脱氧核苷酸 脱氧核苷酸是结合了碱基的脱氧五碳核糖羟基经磷酸化后形成脱氧核苷酸 磷脂，也称为脱氧核糖核苷酸。按照脱氧五碳核糖上磷酸化位置，脱氧核苷酸有 3 和5 。碳原子磷酸化两种类型( 如图卜2 所示) 。多个脱氧核苷酸通过3 和5 碳 原子之间的磷酸二酯键相连所形成的线性高分子称为聚核苷酸链，它是在d n a 复制过程中以另一条单链或双链d n a 分子为模板进行合成的。 ( a ) 图1 - 2 脱氧核糖核苷酸分子( a ) 3 一脱氧核糖核苷酸( b ) 5 一脱氧核糖核苷酸其中 b a s e 表示碱基 2 n0 翅 一 永镥矽 崎h单旷。母 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3d n a 分子的结构 d n a 是由两条多聚核苷酸链通过氢键相互作用连接而成的生物大分子，而多 聚核苷酸链是通过一系列交替存在的脱氧五碳核糖和磷酸残基缩聚而成的线性 或环形高分子。 1 3 1d n 分子的一级结构 所谓d n a 的一级结构就是指d n a 分子中的核苷酸排列顺序。核酸长链中每个 核苷酸的5 一磷酸和相邻核苷酸五碳糖上的3 一羟基通过磷酸二酯键连接起来。脱 氧核糖和磷酸的连接构成d n a 分子的主链，各种碱基连接在主链上。虽然核苷酸 的种类不多，但由于核营酸的数目、种类的比例和排列顺序的不同构成多种结构 的核酸。鉴于在核酸主链上五碳糖和磷酸两种成分是不断重复的，所以用碱基的 排列顺序来表示核酸的一级结构。绝大多数的d n a 分子是由两条碱基互补配对的 单链构成的双链分子，仅有少数是单链分子( 如噬菌体) 。 d n a 分子可以以线状( 单链或双链) 或环状的形式存在，每个线状分子都有 一个没有连接其他核苷酸的5 - 端和3 l 端。不同生物的d n a 各有其特定的碱基序 列和相对分子质量，因此特定的d n a 分子一级结构决定着生物的遗传特性，也就 是d n a 按相应的核苷酸排列顺序将遗传信息编码在自己的结构中。研究发现，在 d n a 分子中往往可以划分出不同的区域，不同的区域有着不同的生物功能，如有 的区域编码特定的蛋白质，有的区域则起着复制、转录和翻译等调控作用。这些 区域在d n a 分子中的特定分布构成了d n a 分子的“躯体”，这种装配被称为d n a 的顺序组织，所以说d n a 的顺序组织是建立在d n a 的一级结构基础上，它将结构 和功能融合在一起。 1 3 2d h a 分子的二级结构 二十世纪五十年代，w i l k i n s 和f r a n k l i n 利用x 射线衍射方法研究了各种 不同d n a 纤维的结构，发现d n a 分子可能具有规则的螺旋结构，并且从d n a 分子 的密度得出该结构是由两条多聚核苷酸链组成的。c h a r g a f f 等应用层析分析法 测定了多种生物的碱基组成，得出d n a 中a 和t 的数目相等，g 和c 的数目相等， 并进一步推出a 和t 以两个氢键相连，而g 和c 则以三个氢键相连。在此基础上， w a t s o n 和c r i c k 总结了大量关于d n a 分子二级结构的实验信息，提出了d n a 分 子的双螺旋结构( 如图卜3 所示) 。由图可知，d n a 双螺旋结构具有以下特征：( 1 ) 脱氧核糖和磷酸基通过磷酸二酯键连接形成螺旋链的骨架，两条主链以反平行的 方式围绕同中心轴相互缠绕而组成双螺旋。主链位于双螺旋的外侧，而碱基位 于双螺旋的内侧。( 2 ) 两条核苷酸链依靠碱基之间的氢键相互作用结合在一起， 而碱基的结合满足碱基互补配对原则，即a 和t 配对，g 和c 配对。根据碱基配 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对原则，当一条核苷酸链的序列被确定以后，则可决定另一条链的序列，进一步 表明遗传信息由碱基序列携带。另外碱基配对原则是d n a 复制、转录和反转录的 分子基础。( 3 ) 碱基是接近平面的结构，基本与螺旋轴垂直，相邻两个碱基间的 距离约为0 3 4 n m ，而螺距为3 4 n m ，则一个螺旋周期包含约1 0 个碱基对，相邻 两个碱基间的夹角为3 6 度。( 4 ) 配对的碱基对并不充满双螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称。沿垂直螺旋轴方向观察，双螺旋表面分别形成一条宽的大沟 ( m a j o rg r o o v e ) 和窄的小沟( m i n o rg r o o v e ) 。而大沟中碱基的差异易于识别， 是蛋白质结合特异d n a 序列的区域，对于蛋白质识别d n a 双螺旋结构上的特异信 息非常重要。通过对天然以及人工合成的d n a 分子的x 射线衍射研究发现，d n a 是以多种构象形式存在的，主要有b - d n a ，a - d n a ，z d n a 等。当环境发生变化时， 这些构象之间可发生相互转化。 图卜3d n a 分子的双螺旋结构( a ) 双螺旋的平面展开图( b ) 双螺旋的空间构瓤 i 3 2 ib - d n b - d n a 的双螺旋结构模型是1 9 5 3 年由w a t s o n 和c r i c k 提出的第一个d n a 分 子模型，其两条反向平行的多聚核苷酸链围绕一个中心轴形成右手双螺旋结构 ( 如图卜4 所示) 。b - d n a 是与纤维的高湿度( 9 2 ) 或d n a 的水溶液有关的。 通常情况下，b - d n a 结构最稳定，双螺旋的直径为2 r i m ，相邻两个碱基对间的距 离为0 3 4 n m ，一个螺旋周期包含1 0 个碱基对，螺距为3 4 n m ，相邻两个碱基对 间的夹角为3 6 度。 1 3 2 2 巾n 在相对湿度低予7 5 时，获得的d n a 纤维x 射线衍射分析结果表明，此时 的d n a 分子具有不同于b - d n a 的结构特点，称为a - d n a 。a - d n a 也是由两条反向 平行的多核苷酸链组成的右手双螺旋结构，但是碱基对相对于中心轴倾斜1 9 度， 每个螺旋周期含有1 1 个碱基对，螺距为2 8 n m ，直径为2 5 5 r i m ，同时整个碱基 对平面向螺旋外侧移动( 如图l _ 4 所示) 。与旷d n a 相比较，a - d n a 的大沟窄而 深，可以从螺旋表面一直到达中心轴，小沟则宽而浅。如果沿螺旋轴的方向观察， 可见a _ d n a 的碱基螺旋中有一孔。当改变外界环境时( 如改变湿度) ，b - d n a 和 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a - d n a 可以相互转化。另外当d n a 处于转录状态时，由一条模板链与一条由它转 录形成的r n a 链之间形成的双链也呈a - d n a 结构。 1 3 2 3z - d m 虽然如今发现自然界中存在的d n a 分子二级结构几乎全是右手螺旋d n a ，但 对溶液中p o l y ( g ) - p o l y ( c ) 的结构进行研究时，发现该d n a 分子呈现一种完全不 同于右手双螺旋的新结构：z - d n a 。在z - d n a 中，两条多聚核苷酸链反向平行排 列，通过碱基配对原则形成左手双螺旋( 如图卜4 所示) 。每个螺旋周期由1 2 个碱基对构成，螺距为4 5 6 n m ，直径为1 8 n m 。 ( c ) 图卜4d n a 分子的b ， ，z 型结构( a ) b - d n a ( b ) 一d n a c ) z - d n 1 3 3d n a 分子的三级结构 d n a 双螺旋结构在三维空间进一步扭曲就形成三级结构，即超螺旋结构。超 螺旋有正超螺旋和负超螺旋两种形式。正超螺旋是d n a 按照与其内部双螺旋缠绕 方向相同的方向缠绕所得到的螺旋结构( 如图卜5 所示) 。而负超螺旋使d n a 绕 其轴以与右手双螺旋的方向相反的方向缠绕，通过减少每个碱基对的旋转来松弛 双链的互相缠绕，使双螺旋d n a 分子解旋( 如图卜5 所示) 。人体细胞的染色体 通常以超螺旋的形式存在。 ( 图卜5 肼 分子的三级结构( a ) 正超螺旋( b ) 负超螺旋( c ) 普通环形d n 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4d n a 分子的应用和研究意义 d n a 是生物体中储存和传递遗传信息的重要物质和分子信息材料，有望在 d n a 芯片“3 和d n a 计算机0 1 、d n a 分子器件删、超微电子器件叫、纳米机械“1 、纳 米导体“”、d n a 传感器和d n a 探针“”1 、d n a 分子光开关“5 1 及d n a 疫苗“”等材料 与信息科学领域有广阔的应用前景。 1 4 1d n a 芯片 生物芯片是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种具有划时代意义的微量分析 技术。是一种综合了分子生物学、免疫学、半导体微电子学、激光等领域的最 新科学技术。生物芯片按固定在载体上的生物分子的不同，可划分为d n a 芯片、 蛋白质芯片和芯片实验室三类。d n a 芯片是目前发展最为迅速、应用最为广泛的 一类。d n a 芯片，又称为基因芯片或者微阵列技术，是指将大量核酸片段作为探 针，有规律地排列在硅片，玻片、聚丙烯或尼龙膜等固相支持物上，然后与待测 的标记样品的基因按碱基配对原理进行杂交，再通过激光共聚焦荧光检测系统等 对芯片进行扫描，并配以计算机系统对每一探针上的荧光信号作出比较和检测， 高通量大规模地分析检测样品中多个基因的表达状况或者特定基因分子的存在， 从而迅速得出所要的信息，以达到疾病诊断、药物筛选、d n a 序列测定和基因功 能研究等目的。一次微阵列实验可对上千种基因的表达水平、突变和多态性进 行快速、准确的检测。 根据探针的不同，可将d n a 芯片分为两类：( 1 ) 寡核苷酸芯片。寡核苷酸 原位合或合成后固定在芯片上，暴露于标记样本d n a 杂交，根据杂交信号出现部 位的寡核营酸序列推测与其互补的d n a 序列。寡核苷酸芯片可用于突变检测、表 达监控、基因发现和遗传制图等“”。( 2 ) e d n a 芯片。将c d n a 固定在玻片或芯 片等固体表面，并暴露于一组标记探针。c d n a 可来自于感兴趣的c d n a 克隆、e d n a 文库或开读框。c d n a 芯片可用于大尺度筛查和基因表达的研究。有时，也可应 用基因组d n a 或经基因组错配扫描纯化的d n a 替代c d n a 制造芯片“。 i 4 2d n a 计算机 1 9 9 4 年，lm a d l e m a n 首先提出d n a 计算的概念，介绍在溶液中利用d n a 进行 特定目的计算来解决图论q b h a m i l t o n i a n 有向路径n p l n 1 题o 】，该研究引起了许多 生物学家和计算机科学家及其其他许多领域科学家的兴趣。d n a 计算机是利用d n a 特殊的双螺旋结构和碱基互补配对原则对问题进行编码的。它是将运算的对象映 射成d n a 分子链，在d n a 溶液的试管里，在生物酶的作用下，生成各种数据池，然 后根据一定的规则将原始问题的数据运算并行地映射成d n a 分子链的可控的生化 过程。最后利用生物分子技术，如聚合酶链反应、聚合重叠放大技术、超声波降 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 解、亲和层析、克隆、诱度、分子纯化、电泳、磁珠分离等，获得运算结果。d n a 计算机的特点主要表现在5 个方面：( 1 ) t 作的并行性，即在同一时刻计算每一 个可能的答案。( 2 ) 极低的能耗。d n a 计算机是通过生化反应工作的，在计算速 度相当的情况下，其功耗是超大型电子计算机功耗的十亿分之一。( 3 ) 极高的集 成度。在d n a 分子中，存储信息可以达到每立方纳米一个字节的存储密度，极大 地超越了目前地存储介质。( 4 ) 运算速度快。d n a 计算机每秒的运算速度为1 0 2 0 i p s ，而目前最快的超大型电子计算机的运算速度只有1 0 9 i p s 啪j 。( 5 ) 抗电磁干扰 能力强。( 6 ) 制造成本低廉，材料可重复使用。 1 4 3d m 传感器 在基因分析中，鉴于p c r 技术的不能定量和污染所致的假阳性，d n a 传感器应 运而生。d n a 传感器是一种能将目的d n a 的存在转变为可检测的电、光、声等信号 的传感装置。它与传统的基因技术方法相比，具有快速、灵敏、操作简便、无污 染、并具有分子识别、分离纯化基因等功能，已成为当今传感器领域中的前沿性 课题。d n a 传感器可应用于基因诊断、环境监测和抗癌药物的开发。d n a 传感器主 要由两部分组成，即分子识别器和转换器。分子识别器主要用来感知样品中是否 含有或含有多少待测物质，转换器则将识别器感知的信号转化为可以观察记录的 信号，如电流大小、频率变化、荧光和光吸收的强度等。其设计原理是在电极上 固定一条含有十几到上千条核苷酸的单链d n a ，通过d n a 分子杂交，对另一条含有 互补碱基序列的d n a 进行识别，结合成双链d n a 。杂交后应在敏感元件上直接完成， 转换器将杂交过程所产生的变化转变成电信号，根据杂交前后电信号的变化量， 推断出被检测d n a 的量。按转换器转换信号的不同可以将d n a 传感器分为d n a 电化 学传感器、d n a 光学传感器、d n a 压电传感器等。 1 4 4d n a 疫苗 二十世纪初以来，随着科学技术的进步，绝大多数人类和动物传染疾病都已 有相应的可进行预防和控制的疫苗。然而一些传染病，如流感、c 型肝炎、艾滋 病等，还没有十分有效的疫苗，于是d n a 疫苗应运而生。d n a 疫苗，又称为基因 疫苗或核酸疫苗，其建立和发展极大程度上是基于二十世纪九十年代初的免疫学 理论和技术d n a 免疫。d n a 疫苗具有能够有效诱导细胞和体液免疫反应、技术通 用性强、研发周期短、生产和运输成本低等优点，在病毒性、细菌性、寄生虫疾 病、肿瘤和变态免疫反应的预防和治疗等领域显示了良好的应用前景，故又被称 为“第三代疫苗”。d n a 疫苗一般都是利用单一蛋白抗原分子来诱导免疫反应 的。当疫苗的质粒d n a 被导入机体后，可被机体细胞所摄取。这种摄取的机理尚 不十分清楚，不过现有实验已经证明，肌细胞、上皮细胞和黏膜细胞有较强地摄 取d n a 分子的能力。被摄取后的质粒d n a 分子在特定启动子作用下，即可在细胞 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 核内转录为m r n a ，再被移至细胞质内翻译成抗原蛋白分子，最后由表达出的抗 原蛋白分子来诱导机体免疫反应。 中南大学硕士学位论文第二章d n a 分子的研究进展和研究方法 第二章d n a 分子的研究进展和研究方法 2 1d n a 分子的实验研究进展 自不同的研究小组利用荧光猝灭方法研究d n a 分子中的给体与受体间电子 转移效率。1 删，并发现d n a 分子具有长程传递电子的能力。1 ( 如当给体与受体间 相隔1 5 个碱基对时，电子传递反应速度常数达到1 0 ”s 。1 ) 后，关于d n a 分子输 运电子能力的实验测量和理论研究引起了科技工作者们的广泛关注，并成为物理 学、化学和生物学交叉领域的研究热点”“。 2 1 1d n a 分子为导体 1 9 9 9 年，f i n k 和s c h s n e n b e r g e r 首次运用低能电子点源( l e e p s ) 显微镜 测量了a d n a 的电流一电压曲线。首先，他们制作了如图2 2 ( c ) 所示的样品 支撑物。该支撑物是在碳箔上沉积金薄膜制成的，其中圆孔规则地分布在上面。 然后，将一滴浓度为2 5 0 # g m l 的五- d n a 水溶液滴在支撑物上，用吸水纸出去多 余的水分。一般而言，这种操作方法会在支撑物上得到网状的名一d n a ( 如图2 2 ( b ) 所示) ，很难使得单个五- d n a 分子横跨在圆孔上。最后，将上述装置放入 超高真空室中，并利用低能电子点源显微镜测量五一d n a 的电流一电压曲线，如 图2 - 2 ( a ) 所示。而所测量的a - d n a 的长度可由操作尖端控制，如图2 2 ( d ) 所示。实验结果表明：在0 到2 0 m v 的范围内，电流随着电压线性增加；当电压 大于2 0 m v 时，电流具有较大的涨落( 如图2 - 1 所示) ，即名一d n a 为导体。该实 验所得名一d n a 的电阻率为1 0 4 q c 掰，比其它实验数据要小的多，可能主要归因 于低能电子轰击名一d n a 而改变了它的能带结构。 图2 - 1 ( a ) a d n a 的电流一电压特性曲线，其长为6 0 0 n m 从图可知：在一2 0 m v 到 2 0 m v 的范围内，曲线是线性的，电阻约为2 5 m q ；当电压大于2 0 m v 时，曲线呈现出 较大的涨落( b ) 两条并联的五一d n a 的电流一电压曲线，其中一条长为6 0 0 n m ，另一条 长为9 0 0 n t o 从图可知：并联的电阻约为1 4 m q 9 中南大学硕士学位论文 第二章d n a 分子的研究进展和研究方法 图2 - 2 ( a ) d n a 分子电流一电压特性的实验测量装置从左到右依次为：原子量级的电子 点涎，带有霹孔的样品支撑物以及横跨在囤孔上的d n a 分子，操纵尖端，探测器利用 u 。( 2 0 3 0 0 n - - r # 吏电- t - 点源产生球形的低能电子波而探测器可观察低能电子所形成的 投影图像( b ) 名一d n a 分子横跨在直径为2 朋的圆孔上形成的网状结构( c ) 样品支撑 物的$ e m 图像该支撑物是在碳箔上沉积金薄膜制成的，其中圆孔规则地分布在上面( d ) 金属钨制成的操纵尖端的s b m 图像，定标线长为2 0 0 n t o 另外，其他研究小组t r a n 等，r a k i t i n 等嘲，k a s u m o v 等1 和y o o 等。o 运用不同的方法研究不同序列的d n a 分子，如2 一d n a ，p o l y ( g ) 一p o l y ( c ) 和 p o l y ( a ) - p o l y ( t ) 等，也得到d n a 分子为导体的结论。 2 1 2d n a 分子为半导体 2 0 0 0 年，p o r a t h 等人o ”首次利用伏安法测量了p o l y ( g ) 一p o l y ( c ) 的电流一 电压特性曲线，该方法在测量各种纳米粒子的导电性能方面取得了成功。利用电 子束平板印刷术，他们首先在s i n 层上刻一个宽为3 0 n m 的狭缝，并将s i n 固定 在s i 0 2 基底上，再利用s i 作为掩饰物将p t 溅射s i n 上而形成金属纳米电极， 然后将一滴含有p o l y ( g ) - p o l y ( c ) 的水溶液( 浓度为每( 1 0 0 n m ) 3 包含一个分子) 滴在电极上，利用静电捕获技术可将d n a 分子固定在两纳米电极间( 如图2 - 3 ( a ) ， ( b ) 所示) ，最后利用伏安法测量该d n a 分子的电流一电压特性曲线。实验结果 表明p o l y ( g ) - p o l y ( c ) 为半导体，即当电压小于阈压时，电流为零；当电压稍微 大于阈压时，电流便迅速增大，并且电流一电压曲线是稳定的和可重现的，如图 2 - 3 ( c ) 所示。同时他们还测量了阈压随温度的变化关系，发现阈压随着温度的 升高而增加，如图2 - 3 ( d ) 所示。2 0 0 6 年，n o g u e s 等人运用类似的伏安法测 量了不同序列的d n a 分子，得出d n a 分子为半导体，并且d n a 分子的导电能力强 i o 中南大学硕士学位论文第二章d n a 分子的研究进展和研究方法 烈地依赖于它的序列的结论。 ( - ， v b 托蛐口e v 图2 - 3 ( a ) d n a 分子电流一电压特性的实验测量装置其中两金属( 1 t ) 纳米电极间的 距离为8 n m ( b ) d n a 分子连接在两金属纳米电极间的s t g 图像( c ) 室温下测得的 p o l y ( g ) 一p o l y ( c ) 的电流一电压特性曲线其中该d n a 分子包含3 0 个碱基对，长为1 0 4 n m ， 空气湿度为5 0 ( d ) 三个不同样品的电流一电压曲线中的阑压随温度的关系其中的四 条实线为拟合实线，从中可得：阈压随着温度的井高而增大 2 1 3d n a 分子为绝缘体 2 0 0 0 年，p a b l o 等人啪1 运用实验方法测量了1 8 o n 的丑一d n 的导电能力。他 们先将样品d n a 沉积在云母基片上，然后在基片的空白处沉积金电极，最后利用 扫描力显微镜技术测量d n a 分子的导电性能( 如图2 4 所示) 。他们发现a d n a 的电阻率至少为p = 1 0 q c m ，因此a d n a 为绝缘体。 图2 - 4 ( a ) d n a 分子电阻率测量的三维s f m 图像从图中可知，两条d n 分子与左边的 金电极相连( b ) 连接两个金电极的a d n a 分子，其中金电极横跨在裸露的云母基片上 图像分析表明至少有1 0 0 0 个d n a 分子连接在两电极之间 中南大学硕士学位论文第二章d n a 分子的研究进展和研究方法 在随后的一年，s t o r m 等人嘲测量了天然的d n a 分子和p o l y ( g ) 一p o l y ( c ) 的 电阻率。首先他们选择了一块合适的基片( 如s i 0 2 ) ，再利用电子束平板印刷技 术在基片上制作金属( 金或铂) 纳米电极，然后将含有d n a 分子的溶液滴在两电 极之间，再用去离子水冲洗d n a 分子上可能有的残留物，并在氮气的气氛中干燥 d n a 分子，便得到如图2 2 所示的a f m 图像，最后测量d n a 分子的电阻。他们在 使用了不同的d n a 分子、不同的金属纳米电极、不同的基片和改变电极之间距离 后，得出：当d n a 分子的长度大于4 0 n m 时，它们的电阻至少为1 0 1 r 1 1