武漢大學(xué)郭存蘭課題組利用結(jié)構(gòu)明確的DNA發(fā)夾構(gòu)筑了均勻有序的自組裝單層膜，通過金屬離子螯合控制堿基對扭曲程度，實現(xiàn)了固相下DNA電荷輸運的精準調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)DNA發(fā)夾的構(gòu)象變化與電荷輸運之間的近似線性正相關(guān)性，該相關(guān)性與螯合金屬離子含量和DNA序列有關(guān)。
DNA的電荷輸運不僅是了解遺傳系統(tǒng)中許多生物過程的基礎(chǔ)，同時也是開發(fā)功能化電子器件和生物傳感器的核心內(nèi)容。大量研究已經(jīng)證實DNA堿基組成、序列和堿基堆疊方式可以調(diào)控DNA的電荷輸運性能，但由于DNA本身結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，使得設(shè)計DNA堿基堆疊形式，調(diào)控DNA的電荷輸運仍然具有挑戰(zhàn)性。
為了明確DNA堿基堆疊與固相DNA電荷輸運性能之間的關(guān)系，郭存蘭課題組設(shè)計了一系列DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，在DNA的三個不同位置分別引入T-T錯配堿基對，通過外加汞離子與T-T錯配螯合，精確微調(diào)DNA發(fā)夾的構(gòu)象；構(gòu)建均勻有序且致密的DNA發(fā)夾單層膜，以此為模型，揭示了DNA發(fā)夾構(gòu)象和電荷輸運之間的半定量關(guān)系，并且受汞離子含量和DNA序列調(diào)控（圖1）。
圖1 DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)、實驗裝置示意圖以及電流密度和DNA構(gòu)象之間的關(guān)系。 結(jié)合DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)在溶液中的構(gòu)象變化和固相下單層膜的能級分析，揭示螯合汞離子增強發(fā)夾DNA的電荷輸運的原因主要是汞離子的存在，使含錯配堿基對的DNA發(fā)夾更接近標(biāo)準的B型構(gòu)象，增強了DNA分子與電極間的耦合。而螯合汞離子不會使DNA分子與電極間的能壘發(fā)生顯著變化（圖2）。 金屬離子螯合優(yōu)化堿基堆疊的策略可以精確控制DNA的構(gòu)象變化，進而調(diào)控DNA的電荷輸運性能，這為未來開發(fā)基于DNA的功能化電子器件和生物傳感器提供了一種很有前景的設(shè)計策略。 圖2 DNA發(fā)夾單層膜的能級以及與電流密度和構(gòu)象的比較。 論文信息 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
