DNA诱导的纳米粒子自组装的分子动力学模拟及嵌段共聚物的自洽场理论模拟研究

发布时间：2020-07-22 06:34

【摘要】：DNA诱导纳米粒子(DNA-NP)能组装成具有纳米级基本单元而不是经典原子、离子或分子的新型晶体,在医学诊断、传感、数据存储、等离子体和光伏领域有广泛应用。其中DNA键合动力学在DNA接枝纳米粒子程序化结晶中起着至关重要的作用。这里我们利用粗粒化模型分子动力学方法探究自身互补配对的DNA诱导纳米粒子自组装体系的结晶结构和DNA键合动力学性能。当纳米粒子上接枝不同数目的DNA链时,我们发现纳米粒子能够组装成六方密堆积和面心立方两种密堆积超晶格,这与实验结果相吻合。更重要的是,我们借助于均方位移、键合百分数和DNA键寿命合理地解释了DNA键合的动力学结晶过程。其中寿命可以用于表征DNA的解离过程,它随时间呈指数降低,并且DNA寿命在很大程度上依赖于温度。我们还发现DNA修饰的纳米粒子结晶需要在合适的温度范围内。另外由于位阻效应的存在,太高的体积分数也会阻碍体系结晶。这项工作对将来的纳米材料设计提供了非常重要的信息。DNA-NP体系组装过程由DNA通过特异性碱基配对相互作用键合诱导,并且动力学上与DNA双链的解离相关。DNA的理化量,包括热力学和动力学,是理解这一过程的关键,也是DNA-NP晶格设计的关键。熔融转变特性有助于判断相关的DNA探针或其他应用的热稳定性和灵敏度。通过分子动力学方法研究了熔融性质对键合区粘附末端连接处长度和间隔区长度的依赖性。熔融温度由基于键合百分数对温度的S形熔解曲线和林德曼(Lindemann)熔融规则同时确定。我们提供了一种基于粗粒化模型的计算方法,通过键合百分数来估计从实验中容易获得的键合焓,熵和自由能。值得一提的是我们计算了基于温度的DNA键解离的寿命和取决于DNA键强度的活化能。我们的研究提供了一种预测熔融温度的良好方法,这对于DNA诱导的纳米粒子体系非常重要,并通过定量估计由DNA键合百分数计算出的平衡常数,架起了 DNA诱导纳米粒子体系的动力学和热力学之间的桥梁。另外,我们通过分子动力学模拟研究了链刚性对DNA诱导的纳米粒子结晶的影响。结果表明,纳米粒子上接枝的刚性或柔性链均可用于设计有序的超分子结构,但机理不同。对于柔性链体系,键合非常低,甚至可以忽略,但纳米粒子仍然可以呈现体心立方(BCC)排列;然而,由于DNA键合相互作用,具有刚性DNA链的体系可以诱导纳米粒子重排成BCC晶格,并且DNA键合相互作用只能在非常窄的长度范围内诱导BCC形成,太长或太短的刚性链都不利于纳米粒子的重排。采用自洽场理论探究了线形-树枝状三嵌段共聚物AB(2g+1-2)C2g+1(缩写为Gg,g是嵌段B的代数)从G1到G5的平衡相行为。通过改变不同嵌段之间的相互作用参数、嵌段的体积分数和树枝状嵌段部分的代数,除了无序相,我们发现八种相:双色层状相,三色层状相,六方相,核壳六方相,四方相,核壳四方相,两种互相穿插的四方相,带珠子的层状相。在研究线形长度对形貌的影响时,我们发现对于G1和G2,较长的线形嵌段长度(fA=0.5)有利于形成层状相,但是随着代数从3增加到5,倾向于形成六方相;较短的线形长度(fA=0.2)对于G1到G5代均易诱导六方相的形成。随着代数从1增加到5,由于结构复杂性,相分离变得越来越难,然而,增大相互作用参数有助于促进相分离。通过精确调控树枝状嵌段的代数、线形链的长度、线形-树枝状三嵌段共聚物的相互作用参数,我们的模拟工作在很大程度上为设计纳米材料和模板技术等应用提供新的机遇。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TB383.1
【图文】：

分子,螺旋,互补碱基,戊糖

表１．１邋Ａ型、Ｂ型及Ｚ型螺旋的主要特征概括Ｗ逡逑Ａ型逦Ｂ型逦Ｚ型逡逑旋方向逦ｉ？逡逑径逦约２．６ｎｍ逦约２．０ｎｍ逦约１．８ｎｍ逡逑匝螺旋碱基对数目（《）逦１１逦１０逦１２邋（６个二对碱基旋转角度（＝３６０／？）逦３３°逦３６°逦６０°（每个二对碱基旋转上升（Ａ）逦０．２６ｎｍ逦０．３４ｎｍ逦０．３７ｎｍ逡逑距逦２．８ｎｍ逦３．４ｎｍ逦４．５ｎｍ逡逑基对与中心轴倾角逦２０°逦６°逦７°逡逑苷键逦ａｎｔｉ逦ａｎｔｉ逦ａＨ／／＋邋（卩密捉）逡逑■ｓｙｎ邋（嘌呤）逡逑螺旋方式相互缠绕，形成右手双螺旋，碱基以平面方式堆积于螺旋电荷的戊糖－磷酸骨架在分子的外侧，双链间对应的互补碱基凭借

几何形状,纳米级

“基于杂化的ＤＮＡ键”的方法使用分支ＤＮＡ结构（在双螺旋结构之间包含多逡逑个交叉连接的分子）［４］，导致构建体缺乏先前仅具有单个交叉连接链［５＿７】的灵活性逡逑并形成大部分所谓的“结构ＤＮＡ纳米技术”的基础（图１．３ａ）。在这种方法中，逡逑精心设计的ＤＮＡ链的杂化和缠结创建了具有可编程键合特性的刚性构建模块，逡逑并允许人们制作具有明确定义的几何形状的功能架构。这些分子通常被称为ＤＸ逡逑瓦块（ｄｏｕｂｌｅ邋ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ邋ｔｉｌｅｓ）【９】，构象呈刚性［４），后来它们组装成大晶格丨１Ｇ］，证明它逡逑们可作为编程二维（２Ｄ）纳米级构建模块。“纳米粒子模板化的ＤＮＡ键”的方法引逡逑入了可编程原子等效物的概念，其由刚性非核酸核心组成，表面通过一层高度定逡逑向的单链ＤＮＡ密集功能化（图１．３ｂ）【３］。这种结构现在称为球形核酸［⑴，化合逡逑（ａ）逦—逦＾逦（ｂ）逦＇逡逑ＤＮＡ邋ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ邋ａｎｄ逦Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ－ｂａｓｅｄ邋ｒｉｇｉｄｉｔｙ逡逑，．？邋逦邋、逦逡逑ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ－ｂａｓｅｄ邋ｒｉｇｉｄｉｔｙ逡逑＾邋｜邋）逡逑％邋ｆ邋ｉ－４－Ｖ邋ｒ邋ｒｔｌｗ逡逑ｆｈ／逦ｆ＾－ｒｉ＾ｉ－ＦＦｌ逡逑图１．３区分纳米级ＤＮＡ键［１７］。（３）多链交叉和ＤＮＡ杂化产生具有刚性核心的构象约束分子。逡逑（ｂ）刚性纳米粒子在表面法线方向上充当固定和组织ＤＮＡ链的支架。逡逑价由中心粒子和结构表面上寡核苷酸的密集负载决定；拥挤诱导寡核苷酸键键逡逑６逡逑

示意图,三重,图案,粘性末端

■逡逑■■＿「＿■■■■笔由逡逑图１．５链霉抗生物素蛋白线性阵列的ＴＸＤＮＡ模板化自组装示意图。ＰＩ逡逑Ｓｅｅｍａｎ及其同事率先开展了结构ＤＮＡ纳米技术研究，该技术的快速发展激起了逡逑人们对ＤＮＡ折纸结构的兴趣。结构ＤＮＡ纳米技术的基础，包括ＤＮＡ折纸，是逡逑ＤＮＡ可以形成固定的分支连接，可以通过粘性末端进一步连接在一起形成高阶逡逑结构和晶格［６］。然而，天然存在的分支ＤＮＡ结构由于内在序列的对称性是不稳逡逑定的，如Ｈｏｌｌｉｄａｙ交叉（Ｈｏｌｌｉｄａｙ＿ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）［３１］。Ｓｅｅｍａｎ提出通过最小化序列对称逡逑性可以创建一个固定的Ｈｏｌｌｉｄａｙ交叉，他还建议通过合理设计的粘性末端连接可逡逑以使用固定交叉来生成核酸的三维（３Ｄ）网络（图１．６ａ，邋１．６ｂ）邋［６】。成功构建固定逡逑的４臂交叉［５］后

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