DNA大分子链刚性与构象转变

DNA作为一类特殊的长链大分子，其一些最基本的物理性质仍没被认识清楚。本申请拟以DNA链刚性的本源、刚-柔转变及链构象变化中所涉及的基本问题作为重点，从两个方面展开研究。第一，考察DNA溶液中各类相互作用的离子环境依赖性。第二，通过考察有机小分子/蛋白质与DNA相互作用，研究DNA局部链柔性的环境依赖性。理论计算方面：采用第一性原理计算考察核苷酸间相互作用的离子响应；粗粒化模拟考察熵、函竞争物理机制；全原子模拟计算长链中各类相互作用贡献。实验方面：采用磁镊技术、DPI观察DNA链构象变化静态和动态过程；ITC给出伴随链构象转变相变；Raman、NMR给出伴随链构象变化过程详细结构信息，包括环境条件改变后DNA大分子构象变化的动态过程、各类相互作用强度变化、结合位点位置及位点处作用强度等。 如此，结合理论计算和实验考察DNA刚性物理本质。

理论计算与模拟：碱基刚柔性研究表明六元嘧啶环的刚柔性与环中所包含双键的数量及碱基配对形式密切相关；DNA链骨架中性化模型研究表明磷酸骨架的电荷是通过影响离子在DNA大小沟槽内游离电荷的分布对DNA链的刚柔性产生影响；DNA复制过程中端粒酶TelK与DNA作用机理研究表明TelK能使得DNA在小尺度下产生较大弯折并积蓄较大的弹性势能；有机分子配体对hTel四聚体构象影响的研究表明环碱基间与G4平面间的堆叠和氢键作用是形成四聚体稳定构象的主要因素；DNA粗粒化粒子模拟表明高分子弯曲能、构象熵和原子交叠熵之间的相互竞争导致受限于适度大小空间中的半刚性高分子更易形成螺旋结构。. 实验方面：含富G碱基DNA构象转变动力学研究表明其构象转变路径及转变速率与金属离子类型密切相关，阐明了重金属离子的基因毒性原因；汞/银离子与T/C碱基相互作用研究发现作用强度与碱基在链上的位置相关，离子加入次序对结合位点及DNA构象产生影响；据磁镊拉伸曲线推断乙醇诱导DNA单分子凝聚呈亚稳球拍状结构；通过光降解控制toehold形成并籍此实现了光引发DNA杂交链增长反应的调控；借助DNA分支迁移反应构建了DNA分子机器驱动纳米金粒子组装，实现了组装速率的多参数调控和简单逻辑运算构建，此方法有望应用于DNA单碱基突变检测及更复杂逻辑运算之中。 . 项目执行期间，培养毕业博士研究生10名，硕士研究生9名，博士后3名。发表文章36篇，其中Nucleic Acids Res一篇，JACS两篇，其中之一被JACS杂志以“DNA GETS THE GOLDEN TOUCH”为题报道在Spotlights on Recent JACS Publications(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 12879)。