DNA手性自组装及其二氧化硅矿化：合成,形成机理和性能

摘要

在生物有机体内，生物分子可以通过自组装的方式形成精密的二维和三维多级介观结构和形貌。DNA分子是表面带有负电荷的阴离子聚电解质，在水溶液中极易与阳离子相互作用并自组装形成液晶结构，其中包括蓝相、二维柱状六方相、手性胆甾相和近晶相等。通过矿化来研究DNA液晶结构，有助于人们更好地认识DNA在精子、染色体、核小体等生命组织中的存在状态以及合成新型的多级结构材料。然而，目前对DNA手性胆甾相的二氧化硅矿化却几乎没有报道。本论文采用共结构导向法通过阳离子诱导DNA手性排列合成了具有叶轮状螺旋形貌的手性DNA-二氧化硅组装体（chiral DNA-silica assembly，CDSA）;提出了其多级手性结构/螺旋形貌的形成机理；对CDSA的多级手性结构和螺旋形貌及其相应的光学活性进行详细的研究；控制了DNA-二氧化硅片（DNA-silica platelet，DSP）在图案化硅片表面的方向、位置和排列。
　　第一章，本课题的相关文献和研究背景，同时提出研究意义和策略。分别介绍了自组装理论（特别是手性自组装）和二氧化硅矿化理论，尤其是基于手性生物分子的自组装和生物矿化。最后概述了本课题的选题意义和研究内容。
　　第二章，以Mg2+作为DNA手性排列诱导剂合成CDSA。DNA固有的螺旋性以及相应的长程手性排列是一种普遍存在的现象。然而，无论在体内还是体外，DNA多级手性排列的机理却不是很清晰。本章通过二氧化硅矿化的方法合成了具有对映异构手性结构的DNA组装体，并对其手性结构和螺旋形貌进行了解析。以DNA分子为生物有机模板剂，Mg2+为手性诱导剂，N-三甲氧基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵（TMAPS）为共结构导向剂（co-structure directing agent，CSDA），正硅酸四乙酯（TEOS）为无机硅源，控制合成了具有手性结构的叶轮状CDSA。碱土金属离子诱导 DNA自组装形成具有二维四方p4mm手性结构的叶轮状螺旋CDSA，其中左旋DNA组装体生成的叶片螺旋排列形成右旋CDSA；而右旋的DNA组装体则诱导生成左旋CDSA。随着反应溶液的温度，pH和TMAPS/DNA摩尔比的增加，叶轮状CDSA中DNA的排列从左旋反转为右旋，而螺旋形貌相应的从右旋反转成左旋。结果表明，碱土金属倾向于诱导DNA右旋排列，其手性方向可以通过调节DNA和TMAPS之间相互作用力的强度来调节。
　　第三章，以聚多胺作为DNA手性排列诱导剂合成CDSA。聚多胺在细胞生长和分化过程中具有许多功能，同时聚多胺在DNA代谢的过程中也有显著作用。研究聚多胺和DNA组装体，有助于更好地理解其在生物体内的重要作用。首先，采用聚多胺作为 DNA手性诱导剂，通过共结构导向法合成了叶轮状CDSA，并与相同条件下以Mg2+作为DNA手性排列诱导剂时形成的CDSA进行了比较。结果表明，Mg2+有利于形成左旋CDSA，而聚多胺（二乙基三胺）则有利于形成右旋CDSA；反应溶液的pH以及聚多胺和CSDA的种类都对CDSA结构和形貌的形成产生重要的影响。基于上述结果，认为带有负电荷DNA磷酸基团和带有正电荷阳离子（包括聚多胺、TMAPS）之间的作用力强度是诱导DNA手性排列的最主要因素。
　　第四章，CDSA的形成过程及其机理。理解生物模拟材料的形成机理，有助于了解生命体的结构组成和构筑新型功能化材料。首先，本章在高温（25℃）和低温（0℃）条件下，分别合成了具有右旋和左旋叶轮状CDSA；而其螺距随着Mg2+（手性诱导剂）和TMAPS（CSDA）加入量的增加而显著增加；同时发现，DNA分别在季铵离子和Mg2+存在下，倾向于分别形成左旋和右旋排列。其次，反应过程实时监测表明，由于DNA的螺旋排列，叶轮状螺旋形貌的形成经历片状DNA-二氧化硅组装体边沿破裂以及在断裂处继续有序生长的过程；CDSA在形成最终结构的过程中存在二维六方p6mm向二维四方p4mm的转变；左旋和右旋CDSA（其中DNA分子间的排列为右旋和左旋）中DNA的排列均起源于右旋的DNA螺旋排列。硅源在高温时的缩聚促进其负电荷量的减少，从而增加DNA-TMAPS之间的相互作用力，诱导DNA排列的反转。而低温时，硅源的缩聚程度不足以使DNA的排列发生反转。因此，形貌和结构的转变都是由DNA-Mg2+与TMAPS-TEOS之间的电荷匹配和竞争作用导致。
　　第五章，CDSA的多级结构及其相应光学活性。水分子在保持 DNA结构和DNA功能化方面具有重要作用。水分子可以通过氢键使DNA碱基互补配对，而作为溶剂，水分子也有助于DNA分子在其组装体内的运动。在叶轮状CDSA中，由于DNA分子之间含有刚性的无机二氧化硅骨架，有效地抑制了DNA分子的缠绕和聚集。这为研究CDSA中DNA的手性排列提供了极大的可能性。实验结果表明，在CDSA的介观结构中存在两种不同的DNA手性排列，即，DNA层与层之间的手性排列和相邻DNA分子之间的螺旋阵列。本章通过向CDSA中加入水分子，使DNA恢复双螺旋构象来研究CDSA中DNA的多级排列。干燥条件下CDSA只显示来源于二维四方p4mm结构DNA分子层与层之间螺旋排列的光学活性；而浸水后CDSA则主要显示来源于相邻DNA分子之间错位阵列排列的光学活性。两种光学活性的位置相近但信号相反。无论干燥还是浸水的样品，其最终的光学活性均来自于上述两种信号的叠加。在干燥和润湿条件下，在叶轮状CDSA中引入的Ag纳米颗粒所产生的等离子共振圆二色性，进一步证明了CDSA中DNA多级手性的存在。
　　第六章，合成光学活性叶轮状手性无机二氧化硅薄膜（chiral inorganic silica film）。具有光学活性的手性无机薄膜是自然界中非常常见的现象。通过化学和物理方法，人们已经合成了许多手性无机粉末，但是成功合成手性无机薄膜的报道却很少。本章报道了一种全新的合成思路，来外延生长具有叶轮状螺旋形貌的无机薄膜。通过诱导DNA模板分子和支撑基底硅片之间产生强相互作用力，可以在硅片表面外延生长右旋、竖直导向的二维四方p4mm排列叶轮状薄膜。手性DNA-二氧化硅薄膜（chiral DNA-silica film，CDSF）在295nm和400-800nm出显现出不同的光学活性。这分别是源于DNA的手性排列的吸收和叶轮螺旋形貌的散射。通过煅烧移除DNA模板，薄膜保持螺旋形貌；因此，源于平均折射系数的降低，基于散射的光学活性蓝移200nm。薄膜的结构颜色源于长程各向异性的双折射现象。
　　第七章，采用模板辅助自组装方法，控制二维介观DSP在图案化硅片表面的方向，位置和排列。在自然界，多级且结构有序的生物分子-无机物组装体（如骨骼，象牙质，蛋壳和贝壳等）是普遍存在的物质。但迄今为止，人为的对各向异性二维/三维介观结构材料的长程多级取向和周期排列的控制却很难实现。本章以DNA作为生物模板，通过模板辅助自组装方法成功地实现了二维介观结构DNA-二氧化硅叶片在离子束图案化硅片表面的导向，位置和排列。这种独特的现象可以归结为带负电DNA分子和带正电季铵官能化硅片表面的静电相互作用力的差别，而这种相互作用力可以从热力学和动力学的角度控制DNA在硅片表面的组装以及DSF的生长。
　　第八章，对论文全部的研究内容进行总结并展望。

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专业名词缩写说明

第一章 绪论

1.1 DNA手性自组装

1.2 手性二氧化硅生物矿化

1.3 论文选题

1.4 参考文献

第二章 以Mg2+作为DNA螺旋排列诱导剂合成手性DNA-二氧化硅组装体（CDSA）

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章总结

2.5参考文献

第三章 以聚多胺作为DNA螺旋排列诱导剂合成CDSA

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章总结

3.5 参考文献

第四章 CDSA的形成过程和机理

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章总结

4.5 参考文献

第五章 CDSA的多级结构及其相应光学活性

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章总结

5.5参考文献

第六章 光学活性手性DNA-二氧化硅薄膜的合成

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章总结

6.5参考文献

第七章 二维介观DNA-二氧化硅片在图案化硅片表面上方向、位置以及排列的控制

7.1引言

7.2实验部分

7.3结果与讨论

7.4本章总结

7.5参考文献

第八章 总结与展望

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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