低能电子对碱基对的损伤研究

生物体直接暴露在高能射线下可造成致命的损伤，因为高能射线与物质作用时，会电离出大量的低能自由电子。而大量的低能自由电子长期以来被认为是对生物分子无害的。但近期研究发现，远小于生物分子电离能的低能电子（＜1 eV）可以对固态DNA 片断造成损伤，从而引发了有关低能电子对固态DNA 损伤的大量而系统的研究。本项目在分子水平上研究低能电子对含有碱基配对的二核糖核酸在气相和碱基对在固液界面上的损伤机理。气相下研究生物分子可以排除溶剂分子的干扰，研究生物分子的固有特性，易于建立计算模型，进行理论计算。研究固液界面上分子的性质，对活体下（真正溶液中）的辐射损伤研究起指导作用。利用质谱、AFM和STM等技术手段，并结合量子化学计算，为揭示低能电子对DNA的损伤机理，探索溶液分子对DNA的保护作用以及如何进行辐射防护奠定理论基础。

本项目利用质谱、扫描隧道显微镜对单（脱氧）核糖核酸和多（脱氧）核糖核酸，在气相中、大气中以及固-液界面上的损伤进行了系统研究，并结合量子化学计算模拟碱基损伤的过程，探求损伤机理。在气相实验中，我们利用静电储存环对多脱氧核糖核酸在碰撞过程中失去碱基的反应进行了研究，同时利用串列质谱对多核糖核酸的电子捕获造成的损伤进行对比分析。其结果表明，不同的碰撞过程造成的DNA片段的损伤不同，而其损伤机理也完全不同。由于碱基在HOPG基底上吸附性较差，在大气中固-液界面上利用STM对损伤DNA片段在HOPG基底上的组装结构研究，没有获得系统性的结果。因此我们在研究系统中引入了苯环类衍生物，以期将碱基固定在基底表面上。实验过程中，我们获得了一系列成果，得到了DNA片段与三聚氰胺分子的二维双组分自组装结构，十八酸与对苯二甲酸的三维分子结结构，并且研究了卤键对分子自组装结构的调控作用。最后利用量子化学计算，我们首先对最简单的氨基酸进行了中性、正电、负电以及双极状态下，第一水合壳层的模拟。由此发展出一套针对生物分子结构模拟的方法，然后我们把这套方法应用在碱基对上，模拟了碱基第一水合壳层以及电子捕获，为深入探求DNA损伤机制作出理论贡献。总之，利用实验和理论相结合的方法，我们对DNA的损伤机理作出了初步探索，取得了初步成果，为今后扩大研究体系，从DNA到多肽以及多糖，打下了重要基础。