钱铁马, 杨光参, 王艳伟

(1. 华盛顿大学 物理学院, 华盛顿州 西雅图 98105; 2. 温州大学 物理与电子信息学院, 浙江 温州 325035)

DNA作为一种生物大分子,与中性高分子和简单电解质相比,它是一种有着不同性质的聚电解质。当溶于极性溶液时,DNA将离解成高带电量的聚离子, 且周围布满了许多小的平衡离子。由于DNA附近不同化合价的平衡离子分布不均匀,导致DNA的长程静电相互作用和熵发生变化,DNA的构象就会发生变化。

本文分析了DNA在不同浓度的不同价态的抗衡离子环境下发生凝聚的区别,并且使用原子力显微镜(AFM)研究了DNA分子凝聚形态随着不同价态的离子和不同的离子浓度的变化情况,系统分析离子价态对DNA凝聚形态的影响。

1 实验原理

1.1 AFM实验原理

在AFM系统中,使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的相互作用,此作用力会使微悬臂摆动,当摆动形成时会使照在悬臂末端的激光的反射光位置改变而造成偏移量,激光检测器会记录此偏移量,也会把此时的信号传给反馈系统,以利于系统做适当的调整,最后将样品的表面特性以影像的方式呈现。原子力显微镜与样品间的相互作用以范德华力为主,其作用势能一般用Lennard-Jones势能函数表示如下:

式中,r是两原子的核间距,δ是势能为0时原子核间距,ε是势阱深度,是势能曲线上最低点势能的绝对值。

当悬臂尖端的原子与样品靠近,开始时吸引力起主导作用,随着距离的减小,两者之间的吸引力与排斥力将趋于平衡,当两者进一步靠近时,范德华力以斥力为主。

1.2 实验材料

1.3 实验过程

云母片切割成为边长为1 cm的正方形,用双面胶粘在圆形铁片上,利用其作为衬底制作样品。不同种类的凝聚剂用超纯水稀释以达到最终浓度。AFM型号为岛津公司的SPM-9600,探针购自Nanoworld,悬臂弹性系数为42 N/m,共振频率为320 kHz.模式采用气态的轻敲模式,图像采集的扫描频率为2 Hz,像素为512×512，图片使用时经过平滑去噪处理以提高对比度。

实验过程中先把各种凝聚剂稀释到预计浓度,混合均匀之后加入DNA,使DNA的最终浓度为1 mg/L。用移液器取约15 μL的DNA溶液滴在新解离的云母片上,沉积5 min,然后用200 μL的超纯水冲洗,氮气吹干,放入干燥器2 h以上,待扫描。

2 结果与讨论

2.1 AFM结果与讨论

2.1.1 Mg2+与DNA作用

在镁离子浓度(c(Mg2+)为3 mmol/L和10 mmol/L)溶液中加入DNA,然后在云母表面沉积,用纯水冲走表面上的多余分子,最后用氮气吹干。由AFM获得的结果见图1。

图1 不同Mg2+浓度下λ-DNA的凝聚形态

从图1中可以看到,当Mg2+浓度为3 mmol/L时,DNA分子处于自由舒展的状态,以此可以看出Mg2+对DNA凝聚没有作用,DNA还处于自然状态。当Mg2+浓度为10 mmol/L时,DNA出现网格形状,可见大浓度的Mg2+对DNA的形态也有影响,所以Mg2+作为沉积条件时浓度不能太大。

图2 不同钴离子浓度下λ-DNA的凝聚形态

2.1.3 [C10N4H30]4+与DNA作用

在不同浓度(20、50、100 μmol/L)的[C10N4H30]4+溶液中加入DNA,然后在云母表面沉积,水冲最后用氮气吹干,其实验现象如图3所示。

通过观察[C10N4H30]4+导致的DNA凝聚可以发现,当浓度为20 μmol/L时,DNA分子已经凝聚成较小的核心,凝聚程度十分明显,比3价离子效果明显很多；当[C10N4H30]4+的浓度达到50 μmol/L时,DNA的凝聚更加明显,可以看到多个核心聚集在一起的情况,从而导致更紧密的凝聚；当浓度增加到100 μmol/L时,DNA凝聚得更加紧密,几乎成球状结构。由此可以发现[C10N4H30]4+对DNA的凝聚有更显著的作用。

2.2 DLS的实验结果与讨论

用动态光散射仪(DLS)观察多价离子的浓度和多价离子的种类对DNA粒径的影响。由于多价离子会使DNA凝聚,因而粒径会发生变化。测量数据见表1，其中每个粒径r数值为5次测量的平均值。

表1 粒径测量数据

表1(续)

3 结语

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