太赫兹光谱检测人染色体端粒DNA空间构象关键技术研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
60907044
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
22.0万
负责人：
李小卫
依托单位：
上海交通大学
学科分类：
F0504.红外与太赫兹物理及技术
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
杜海伟；沈轶；何健锋；杨柳；刘关德；刘晓鸿；
关键词：
i-motif THz光谱 G-quadruplex 分子动力学端粒DNA

项目摘要

太赫兹（THz）技术的发展使其在生物领域的应用成为可能。本项目将应用THz技术研究人染色体端粒DNA构象变化及其低频动力学过程。端粒DNA与细胞的分裂、衰老和死亡密切相关。人端粒DNA是由富含G和C的碱基序列组成的线性染色体特殊末端，可以形成单链、双链、特殊的G-quadruplex和i-motif四链体二级结构。G-四链体可以抑制肿瘤细胞的分裂而成为抗癌药物的重要靶点。精确检测端粒DNA结构和准确掌握不同结构间转换的动力学过程是研究端粒DNA的两个关键问题。THz光谱是同时解决这两个问题的有效技术手段。我们将应用THz-TDS技术测量两种与人端粒DNA有相同重复碱基的DNA分子不同构象的THz光谱；发展基于分子动力学的理论模型，建立DNA构象与光谱特征的对应关系，解析光谱所对应的DNA低频振动模，获得DNA在不同构象间转换的动力学信息。本项目建立的技术平台可以拓展到其它生物分子的研究中。

结项摘要

太赫兹（THz）技术的迅速发展使其在生物领域的应用成为可能。本项目应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）研究人染色体端粒DNA构象变化及其低频动力学过程。主要的目标是通过本项目建立太赫兹光谱技术检测液态生物样品构象变化和研究动力学过程的基础。本项目结题，所取得的重要的研究成果包括：(1) 利用THz-TDS技术测量和分析了水在THz波段的介电特性，并利用德拜弛豫理论对其介电常数进行拟合，得到对应于氢键断裂和形成及氢键网络重排的两个弛豫时间，分别是89 fs和10.55 ps。这些工作为研究液态生物样品（DNA，蛋白等）在太赫兹频段的介电特性奠定了基础。(2) 对不同浓度鲑鱼精DNA水溶液进行了测试，并讨论分析了DNA分子与水分子之间的相互作用，以及对于水分子两个弛豫模式的影响。结果表明，随着DNA浓度的增大，两个弛豫模式的强度及其对应的时间都有所改变。(3)针对长时间模拟结果不收敛的问题，提出一种新统计方法。该方法利用多段短轨迹分别计算生物分子太赫兹吸收谱，将各段轨迹得到的吸收谱中峰值位置作直方分布统计，弥补了单轨迹构象遍历不足的缺陷。同时我们讨论了不同的统计参数对于结果的影响，证明了这种统计方法的可靠性，可以将此方法应用到其它生物分子的吸收谱计算中。(4) 基于本项目提出的生物分子太赫兹光谱预算方法，计算了大肠杆菌硫氧还原蛋白质(thioredoxin protein)在0.3-0.75THz这个波段内的特征吸收谱。模拟结果与实验结果取得了很好的一致，充分说明了该方法在生物分子特征吸收谱预测方面的应用价值。（5）研究了嘧啶类碱基及其修饰物在THz波段的光谱响应，以探索THz光谱与物质组成和结构之间的关系。研究获得了胞嘧啶及异胞嘧啶在0.2-2.0 THz范围内吸收系数、折射率及介电常数等光学参数和光谱特征。实验结果表明：THz光谱对于物质结构的微小差异和变化高度敏感，能够区分不同结构和组成的碱基化合物。这对THz技术用于DNA无标记检测和核苷类抗肿瘤药物的检测具有重要的意义。