dsDNA與TiO2(110)在溶液中相互作用的動力學行為和機制

楊 晉, 胡書環, 劉 雯, 孟范超

(1. 中國科學院大學 生命科學學院, 北京 100049; 2. 深圳華大生命科學研究院, 深圳 518083; 3. 廣東省高通量測序工程技術研究中心, 深圳 518083; 4. 康年醫療科技有限公司,山東 煙臺 264030; 5. 煙臺大學 精準材料高等研究院, 煙臺 264005)

1 引 言

二維過渡族金屬氧化物(transition metal oxide，TMO)主要包括TMO的單層結構、TMO的多層結構和不同種類TMO的多層和超晶格結構[1]. 對于二維納米材料，由于表面性能控制著材料的行為，二維TMO通常表現出與其塊體顯著不同的物理和化學性質，如高溫超導性和多鐵性，以及獨特的光學、力學和熱學性質[1]. 目前，許多二維TMO，例如MoO3、V2O5、TiO2、ZnO等[2-4]，已經被報道可以通過分層或自底向上生長的方式可控制備，而且具有優異的化學和熱穩定性[5，6]. 近年來，二維TMO在光學、電子、催化、能源裝置(電池、超級電容器、太陽能電池和燃料電池)、傳感器和生物系統等方面已經實現應用或者具有潛在的應用前景[1]. 由于本文的研究重點是生物傳感，因此，特別值得指出的是，二維TMO通常具有較高的等電點，可以通過靜電相互作用固定一系列具有低等電點的生物分子，例如皮質醇和多巴胺，并且能夠促進吸附體系之間的電荷轉移[7]. CuO、WO3、TiO2和ZnO等都展現出了相當低的檢測限值[8-11].

本文作者[12]前期通過第一性原理計算發現，二維TMO中典型的金紅石型TiO2納米層(110)表面對DNA的四個堿基具有強吸附性能，其吸附能比石墨烯及其衍生物的吸附強度大兩倍以上. 在實際應用中，DNA通常是在溶液中與表面相互作用. 然而，第一性原理計算受限于有限的原子數量，無法用于研究長鏈DNA與TiO2(110)表面在溶液中的相互作用行為和機制. 在此方面，基于原子力場的分子動力學模擬常被用于研究吸附質和吸附劑在溶液中的吸附行為. 例如，Brandt和Lyubartsev[13]利用分子動力學模擬研究TiO2(100)表面與氨基酸類似物的相互作用發現，TiO2(100)與具有極性和芳香側鏈的氨基酸之間的相互作用強于具有甲基的氨基酸. Mao等[14]使用分子動力學模擬研究了TiO2(100)表面的絲氨酸磷酸化效應，發現與TiO2(100)表面結合的肽的結合自由能隨著磷酸化而增加. Liu等[15]使用分子動力學模擬研究了DNA在二維MoS2表面的吸附取向，發現DNA傾向于沿軸向垂直吸附到MoS2表面. 金紅石型TiO2(110)是TiO2自然存在的最穩定表面，然而，迄今為止，其與DNA在溶液中相互作用的行為與機制仍有待進一步研究.

因此，本研究采用分子動力學模擬，研究dsDNA與金紅石型TiO2(110)表面在溶液中的相互作用行為和機制. 本文首先構建了dsDNA在溶液中軸向初始平行或垂直于TiO2(110)表面這兩種計算模型. 進而，通過能量最小化和長時結構弛豫，研究了dsDNA在吸附過程中的穩定吸附構型、動力學行為和結構穩定性. 最后，通過計算二者之間的相互作用能和水分子密度/數量，討論了dsDNA在TiO2(110)表面的吸附機制.

2 計算方法

本文的分子動力學模擬利用GROMACS (Groningen Machine for Chemical Simulation)軟件包的2022.2版本完成[16]. 初始模擬體系的超晶胞如圖1所示，包含水分子、Na+離子、dsDNA和具有(110)表面的金紅石型TiO2納米層. dsDNA包含16對堿基，共1014個原子，堿基排序為5’-ATCGATCGATCGATCG-3’(標號為1-16)和3’-TAGCTAGCTAGCTAGC-5’(標號為32-17). A、T、C、G分別代表腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鳥嘌呤這四種由氮堿基、脫氧核糖和磷酸組成的脫氧核苷酸分子. TiO2(110)表面模型共包含11880個原子. DNA在初始時沿軸向平行或垂直置于TiO2(110)表面上方，并且保持二者之間的最小間距為1.5 nm. 為了便于標記，如圖1a和1b所示，將兩種初始構型分別標記為DNA ∥ TiO2(110)和DNA ⊥TiO2(110). 圖1a和1b的模型中分別包含30個Na+離子以平衡DNA的電負性以及27671個和27667個水分子. 因此，圖1a和1b模型的總原子數分別為95937個和95925個. 超晶胞具有完全周期性，且在X×Y×Z的尺寸分別為9.80 nm × 9.87 nm × 10.32 nm，其中Z定義為垂直于TiO2(110)表面的方向.

在分子動力學模擬中，DNA采用CHARMM 27力場[17]. TiO2采用Brandt和Lyurbatsev開發的用于模擬TiO2與水相互作用的原子力場參數[18]，如表1所示. 該力場已被用于TiO2(100)表面與氨基酸類似物的相互作用[13]，TiO2(100)表面的絲氨酸磷酸化效應[14]，和TiO2納米球與脂質雙層黏附[19]等研究中. 水分子采用TIP3P模型. 在模擬過程中，首先約束DNA的位置，采用最速下降算法對超晶胞進行能量最小化，時間步長為1 fs，收斂標準為作用力小于1000 kJ/mol/nm. 隨后，保持DNA的位置約束，使用等溫系綜對超晶胞進行100 ps平衡，時間步長為1 fs. 最后，解除對DNA的位置約束，對超晶胞進行200 ns的平衡模擬，時間步長為2 fs. 在上述模擬中，選取以下共性模擬參數. 短程靜電和范德華相互作用的截斷距離為1.2 nm. 恒溫器采用V-rescale使模擬系統的溫度維持在300 K，時間耦合常數設置為0.1 ps. 采用LINCS算法約束所有H鍵. 長程靜電相互作用使用PME. 此外，在整個模擬過程中，保持TiO2中所有原子的位置不變. 模擬結構的視圖通過VMD軟件獲得[20].

表1 TiO2 (110)力場的非鍵和鍵合力場參數

3 結果和討論

3.1 dsDNA在TiO2 (110)表面的吸附行為

DNA ∥ TiO2(110)和DNA⊥TiO2(110)這兩種體系經過200 ns弛豫后的結果如圖2所示. 可以看到，對于這兩種初始構型，經過弛豫后DNA均平行于TiO2(110)表面，呈現出相同的吸附特征. 此外，大部分Na+離子分布于DNA的周圍. 根據以往研究報道，DNA在氮化石墨烯[21]、二硫化鉬[15]、二硒化鉬[22]等二維表面的穩定吸附構象為DNA主軸與吸附表面近乎垂直. 以二硒化鉬為例，位于表面的硒原子帶有負電荷，而DNA也呈負電性，因此二者之間的電荷排斥導致DNA無法通過外側的負電荷磷酸基團平行吸附于二硒化鉬表面. 然而，垂直吸附勢必通過破壞DNA雙鏈堿基對之間的氫鍵結構以使末端堿基與表面形成吸附，不利于DNA的結構穩定性. 不同于以上研究，本研究發現DNA的穩定吸附構象為平行吸附于TiO2(110)表面. 這可能歸因于TiO2(110)表面既有帶負電荷的OT3和OT2原子，又有帶正電荷的Ti5原子(如表1所示). 水平吸附有助于減少對DNA結構的破壞. DNA結構的穩定性將在下文3.2節部分進行詳細論述. 此外，DNA吸附的機制將在下文3.3節中展開.

圖2 經過200 ns弛豫后，DNA∥TiO2 (110)和DNA⊥TiO2 (110)體系的側視(a-b)和俯視(c-d)圖Fig. 2 The side (a-b)and vertical (c-d)views for DNA∥TiO2 (110)and DNA⊥TiO2 (110)systems after a 200 ns relaxation

為了進一步研究DNA在TiO2(110)表面吸附的動力學過程，圖3a和3b分別繪制了吸附到TiO2(110)表面的DNA原子數隨弛豫時間的演變. 注意，與TiO2(110)表面間距小于0.6 nm的DNA原子被定義為吸附原子. 對于DNA ∥ TiO2(110)初始體系，吸附原子數量呈現兩個階段性的增加. 在42 ns時，DNA首次被吸附到TiO2(110)表面，吸附原子數約為10，并保持到65 ns. 隨后，在66 ns，吸附原子數開始劇烈增加，并穩定到40 ～ 50個原子數的區間. 而對于DNA⊥TiO2(110)初始體系，吸附原子數展現為三個階段，包括24 ns時首次躍升到10個原子左右，80 ns增加到20個原子左右，以及118 ns以后在40 ～ 50原子區間內波動. 從整體上看，初始平行或垂直于TiO2(110)表面放置DNA不影響最終吸附的DNA原子數量.

進而，以DNA ∥ TiO2(110)初始體系為例，研究了DNA在TiO2(110)表面吸附過程中的構型變化，如圖4所示. 通過觀察發現，在50 ns時，T32中的原子首先吸附到了TiO2(110)表面. 隨后，對比DNA在50 ns和60 ns的構型，可以看出整個DNA似乎以T32為中心呈現出向TiO2(110)表面翻轉吸附的趨勢. 進而，在70 ns，DNA完成在TiO2(110)的吸附，吸附的DNA堿基包括一條單鏈中的A5、T6、C15、G16和另一條單鏈中的G22、A23、A31、T32，即TiO2(110)表面同時吸附了四種堿基. 從70 ns至200 ns，DNA的吸附構型沒有明顯變化. 因此，可以推斷，DNA在TiO2(110)表面的吸附強度和穩定性較好. 此外，這些關鍵時刻的構型變化與圖3a中DNA吸附原子數量的變化相一致.

圖4 DNA ∥ TiO2 (110)初始體系在(a)50 ns、(b)60 ns、(c)70 ns和(d)200 ns模擬時刻下的DNA和TiO2 (110)吸附構型Fig. 4 The configurations of DNA and TiO2 (110)at simulation time of (a)50 ns，(b)60 ns，(c)70 ns，and (d)200 ns for DNA ∥ TiO2 (110)system

3.2 dsDNA在吸附過程中的結構穩定性

由于水平吸附不需要破壞DNA堿基之間的氫鍵完成吸附，因此可以推斷TiO2(110)表面吸附DNA對其結構穩定性影響較小. 為探究TiO2(110)表面吸附DNA時對其結構的影響，計算了DNA堿基對間的氫鍵數量和DNA原子位置的均方根偏差(root mean square deviation，RMSD). 如圖5所示，對于DNA ∥ TiO2(110)和DNA⊥TiO2(110)這兩種體系，氫鍵數量隨模擬時間的演變曲線基本重合，其均值和標準偏差分別為40.74 ± 1.35個和40.61 ± 1.45個. 并且在200 ns的模擬時間內，氫鍵數量基本沒有變化. 這說明DNA在吸附到TiO2(110)表面時，雙螺旋結構幾乎沒有受到影響. 此外，這兩種體系的RMSD隨著模擬時間的演變也基本一致. 并且RMSD的數值很小. 在200 ns時間內二者RMSD的均值和標準偏差分別為0.18 ± 0.03 nm和0.20 ± 0.04 nm. 因此，水平吸附有助于保持DNA結構的穩定性，并且金紅石型TiO2(110)可以用作DNA的良好吸附劑.

圖5 DNA ∥ TiO2 (110)和DNA⊥TiO2 (110)體系的(a)DNA中的氫鍵數量和(b)DNA中原子位置的均方根偏差隨弛豫時間的演變Fig. 5 The evolutions of (a)the number of H-bonds and (b)RMSD of DNA with respect to simulation time for DNA ∥ TiO2 (110)and DNA⊥TiO2 (110)systems

3.3 dsDNA在TiO2 (110)表面的吸附機制

為了探究DNA分子在TiO2(110)表面的吸附機制，研究了兩種初始吸附體系的DNA與TiO2(110)之間的短程范德華相互作用能，如圖6a和6b所示. 通過對比圖3a和6a以及圖3b和6b，可以明顯看出，二者之間相互作用能的階梯式演變與DNA吸附原子個數的階梯變化具有強相關性. 這表明范德華相互作用在DNA吸附過程中起著重要作用. 此外，對于水平和垂直初始吸附體系，范德華相互作用能均穩定在-150 kJ/mol左右，這也與兩種體系在弛豫末期吸附的DNA原子個數相當的結論相一致. 值得指出的是，在使用PME的靜電作用下，庫倫靜電相互作用能無法針對相互作用對進行分離. 本文嘗試通過使用Cut-off方法代替PME并對模擬進行重計算，發現DNA和TiO2(110)間的遠程靜電相互作用能可達約-12000 kJ/mol. 盡管將相互作用能針對DNA和TiO2(110)進行分解的結果不一定真實，DNA在TiO2(110)表面的水平吸附可能暗示遠程靜電相互作用對吸附起著至關重要的作用.

圖6 (a)DNA ∥ TiO2 (110)和(b)DNA⊥TiO2 (110)體系中DNA和TiO2 (110)短程范德華相互作用能隨弛豫時間的演變. (c)沿Z方向的水密度分布. (d)分布在已吸附堿基，包括A5、T6、C15、G16、G22、A23、A31、T32，周圍的水分子數量隨弛豫時間的演變Fig. 6 The short-range van de Waals (vdW)interaction energies as a function of simulation time for (a)DNA ∥ TiO2 (110)and (b)DNA⊥TiO2 (110)，respectively. (c)is the relative water density to the bulk water along the Z direction. (d)shows the number of waters near the contacted DNA residues，including A5，T6，C15，G16，G22，A23，A31，T32，with respect to the simulation time

由于溶液中水分子對生物分子的吸附也起著重要作用[23，24]，因此，以DNA ∥ TiO2(110)體系為代表，圖6c和6d研究了水分子沿Z軸的密度分布以及在已吸附DNA堿基1.0 nm范圍內水分子數量隨模擬時間的演變. 如前所述，對于DNA ∥ TiO2(110)體系，這些吸附的堿基包括A5、T6、C15、G16、G22、A23、A31、T32. 從圖6c中可以看出，TiO2(110)表面與水分子存在色散相互作用，使得水分子在距離TiO2(110)表面約1.0 nm的位置處出現一個密度峰值. 因此，第一溶劑化水層位于TiO2(110)表面間距1.0 nm處，其密度約為體相水密度的1.26倍. 進而，隨著DNA堿基逐漸吸附到TiO2(110)表面，如圖6d所示，在50 ns左右時，與TiO2(110)表面接觸的堿基周圍的水分子出現明顯下降，約有200個水分子從TiO2(110)表面解除吸附. 水分子下降的時刻也與圖3a和圖4a中堿基開始吸附的時刻基本一致. 這說明在DNA的吸附過程中，第一溶劑化水分子層中的水分子被DNA擠壓，產生納米尺度的“脫濕”過程. 納米級脫濕為DNA的吸附提供了驅動力，進一步增強了DNA的吸附.

4 結 論

1)本文利用分子動力學模擬研究了dsDNA與金紅石型TiO2納米層(110)表面在溶液中相互作用的動力學行為和機制.

2)通過對dsDNA吸附后構型、吸附動力學過程和結構穩定性的分析發現，在初始時沿軸向平行或垂直于TiO2(110)表面放置的dsDNA的穩定吸附構型均為水平吸附. 水平吸附不僅使得dsDNA的四種堿基均吸附到TiO2(110)表面，增加了吸附穩定性，而且不破壞dsDNA的結構穩定性.

3)對dsDNA和TiO2(110)之間相互作用能和水分子密度/數量的分析發現，水平吸附可能源于二者之間的短程范德華和長程靜電相互作用. 此外，納米尺度脫濕進一步增強了dsDNA的吸附.

4)本研究探明了dsDNA與TiO2(110)表面在溶液中相互作用的動力學行為和機制，為DNA傳感和測序等應用指出了一種非常有潛力的材料.

5 數據可用性

支持本研究結果的數據已存入中國國家基因庫數據庫(CNGBdb)[25]的CNGB序列檔案庫(CNSA)[26]，登錄號為CNP0003376.

致 謝：感謝國家基因庫(China National GeneBank，CNGB)和廣東省高通量測序工程技術研究中心(Guangdong High-throughput Sequencing Research Center)對本項目的支持.