DNA氨基修饰及二维材料纳米孔测序的理论研究

论文摘要

本论文主要包含DNA的氨基修饰和二维材料纳米孔DNA测序两部分内容。第一部分基于密度泛函理论并结合非平衡态格林函数方法,研究了腺嘌呤氨基修饰对DNA导电性的影响;第二部分采用分子动力学模拟,研究了基于二维材料纳米孔的DNA测序和甲基化识别。主要研究内容简述如下:本论文第一部分主要研究的是氨基修饰对DNA导电性的影响。由于DNA分子具有自我识别、自组装等优良特性,因而成为构建分子器件的候选材料。但是天然DNA直接应用于分子器件还存在一定的局限性,因此进行DNA修饰具有重要意义。本论文通过理论计算,详细研究了腺嘌呤（A）碳2位氨基修饰（形成的碱基为双氨基嘌呤,简写为D）对DNA几何性质、电子性质和电荷输运性质的影响。首先,比较修饰前后的几何构型,发现氨基修饰后的碱基对DT（D与胸腺嘧啶T配对形成的碱基对）之间,相比于天然碱基对AT形成了新的氢键,并且保持了DNA结构的稳定性。然后,分析其电子性质,结果表明,氨基修饰后体系的能隙和电离能大幅度降低,紫外吸收光谱发生了红移现象,并增加了一些电荷转移跃迁。更重要的是,我们比较分析了修饰前后沿氢键方向和沿DNA链方向的电子输运性质,通过实验可测的电学指标,证实了氨基修饰确实能够增强DNA的导电性。本部分研究的创新之处在于,阐明了氨基修饰增强DNA导电性的内在机理:氨基修饰使DT碱基对的HOMO能级比天然AT更加接近于GC（鸟嘌呤G-胞嘧啶C形成的碱基对）的HOMO能级,从而减小了DNA链中空穴跃迁的势垒。本项工作将会对DNA基分子器件的设计提供一定的理论指导。论文第二部分的重点是利用二维材料纳米孔进行DNA测序的研究,特别是对DNA甲基化的识别。使用的二维材料主要有二硫化钼和六方氮化硼。DNA测序具有重要的生物和物理意义。迄今为止,一般认为DNA测序技术经历了三代的发展。相比传统测序的方法,纳米孔测序具有速度快、准确率高、价格低廉等优势。近年来,石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等二维材料的出现,为纳米孔DNA测序方法提供了新的应用前景。除了进行天然碱基的测序,准确识别胞嘧啶C的甲基化（主要是5mC）在癌症的早期检测中具有重要意义。我们采用分子动力学方法,模拟了五种（四种天然碱基和5mC）不同的单链DNA在不同电场作用下,穿过二硫化钼纳米孔的过程。在4V偏压下,比较了不同单链DNA通过二硫化钼纳米孔的穿孔行为、平均离子电流的大小,以及离子电流正态分布的分析。结果表明,5mC与胞嘧啶（C）可以有较好的区分,但5mC与其它三个天然碱基的差别不是很明显。我们还比较了3V偏压下,5mC和C构成的两种不同的单链DNA的穿孔过程。结果表明,在3V偏压时也能够实现5mC核苷酸和C碱基的识别。无论是在3V偏压下还是在4V偏压下,都可以实现碱基5mC和C的识别。但通过比较两种体系的平均离子电流,发现在3V偏压下,对碱基5mC和C的区分效果比4V偏压下更好。在第二部分中,我们还研究了六方氮化硼纳米孔的DNA测序。采用分子动力学方法,模拟了两种（基本单元为C和5mC）不同的单链DNA在电场作用下穿过六方氮化硼纳米孔的过程。研究结果表明,在4V偏压下,能够区分5mC与C形成的单链DNA,也就是说可以初步实现甲基化的识别。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 DNA简介
•   1.2 DNA修饰简介及研究现状
•   1.3 DNA测序简介及研究现状
•   1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 理论方法及计算软件简介
•   2.1 密度泛函理论
•     2.1.1 Hohenberg-Kohn方程
•     2.1.2 Kohn-Sham方程
•     2.1.3 局域密度近似（LDA）简介
•     2.1.4 广义梯度近似（GGA）简介
•   2.2 非平衡态格林函数方法简介
•   2.3 分子动力学理论
•     2.3.1 分子动力学模拟原理与方法
•     2.3.2 分子力场
•     2.3.3 势能函数
•   2.4 计算软件介绍
•     2.4.1 Gaussian软件包简介
•     2.4.2 ATK软件包简介
•     2.4.3 VASP软件包简介
•     2.4.4 NAMD软件包简介
• 第三章 腺嘌呤的氨基修饰对DNA导电性的影响
•   3.1 引言
•   3.2 计算方法
•   3.3 计算结果与讨论
•     3.3.1 几何性质
•     3.3.2 电子性质
•     3.3.3 紫外吸收光谱
•     3.3.4 电荷输运性质
•   3.4 总结
• 第四章 二硫化钼纳米孔DNA测序和甲基化识别
•   4.1 引言
•   4.2 计算方法
•     4.2.1 体系建模
•     4.2.2 分子动力学模拟
•   4.3 计算结果与讨论
•     4.3.1 二硫化钼的基本性质
•     4.3.2 二硫化钼纳米孔测序结果与分析
•   4.4 总结
• 第五章 hBN纳米孔DNA甲基化识别
•   5.1 引言
•   5.2 计算方法
•     5.2.1 体系建模
•     5.2.2 分子动力学的模拟
•   5.3 计算结果与讨论
•     5.3.1 hBN的基本性质
•     5.3.2 hBN纳米孔测序结果与分析
•   5.4 总结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 程颖颖

导师: 刘海英

关键词: 修饰,双氨基嘌呤,甲基化,纳米孔测序

来源: 济南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,材料科学

单位: 济南大学

分类号: Q523;TB34

DOI: 10.27166/d.cnki.gsdcc.2019.000085

总页数: 96

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