Chem. Eur. J. :碱基堆叠调控固相DNA发夹的电荷输运

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武汉大学郭存兰课题组利用结构明确的DNA发夹构筑了均匀有序的自组装单层膜,通过金属离子螯合控制碱基对扭曲程度,实现了固相下DNA电荷输运的精准调控。他们发现DNA发夹的构象变化与电荷输运之间的近似线性正相关性,该相关性与螯合金属离子含量和DNA序列有关。


DNA的电荷输运不仅是了解遗传系统中许多生物过程的基础,同时也是开发功能化电子器件和生物传感器的核心内容。大量研究已经证实DNA碱基组成、序列和碱基堆叠方式可以调控DNA的电荷输运性能,但由于DNA本身结构的多样性和复杂性,使得设计DNA碱基堆叠形式,调控DNA的电荷输运仍然具有挑战性。


为了明确DNA碱基堆叠与固相DNA电荷输运性能之间的关系,郭存兰课题组设计了一系列DNA发夹结构,在DNA的三个不同位置分别引入T-T错配碱基对,通过外加汞离子与T-T错配螯合,精确微调DNA发夹的构象;构建均匀有序且致密的DNA发夹单层膜,以此为模型,揭示了DNA发夹构象和电荷输运之间的半定量关系,并且受汞离子含量和DNA序列调控(图1)。



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图1 DNA发夹结构、实验装置示意图以及电流密度和DNA构象之间的关系。

结合DNA发夹结构在溶液中的构象变化和固相下单层膜的能级分析,揭示螯合汞离子增强发夹DNA的电荷输运的原因主要是汞离子的存在,使含错配碱基对的DNA发夹更接近标准的B型构象,增强了DNA分子与电极间的耦合。而螯合汞离子不会使DNA分子与电极间的能垒发生显著变化(图2)。


金属离子螯合优化碱基堆叠的策略可以精确控制DNA的构象变化,进而调控DNA的电荷输运性能,这为未来开发基于DNA的功能化电子器件和生物传感器提供了一种很有前景的设计策略。

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图2 DNA发夹单层膜的能级以及与电流密度和构象的比较。

文信息

Base Pair Stacking Modulates Solid-State Charge Transport in DNA Hairpins

Huili Wang, Yongkang Zhang, Ziang Zhang, Bing Huang, Bingling Li, Cunlan Guo


Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202203540




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