十八胺與dna復(fù)合lb膜的制備與性能

由于dna分子具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因此對(duì)生物膜的存在和行為方式的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，dna在當(dāng)前的分子重組技術(shù)中發(fā)揮了特殊的作用，人們對(duì)dna在納米有序功能體系中的應(yīng)用越來(lái)越重視。利用dna分子作為模型，可以獲得許多具有特定結(jié)構(gòu)和功能的納米生物芯和納米原型裝置。對(duì)dna分子的二維組成和三維組裝是上述研究的重要基礎(chǔ)。目前，廣泛使用的方法是靜電沉積、自組裝固定等組裝技術(shù)，但應(yīng)用這些技術(shù)難以正確控制dna膜的表面覆蓋和結(jié)構(gòu)。LB技術(shù)是一種可在分子水平上對(duì)生物膜進(jìn)行模擬和調(diào)控的組裝方法,利用LB技術(shù)可以通過(guò)組裝不同生物分子得到具有分子有序的納米薄膜,并可以方便地研究DNA與不同表面活性劑、磷脂及蛋白質(zhì)的相互作用.本文利用LB技術(shù),對(duì)不同壓力下DNA分子的構(gòu)象變化和DNA復(fù)合膜的相變過(guò)程進(jìn)行了研究,利用AFM對(duì)DNA分子在LB膜中的分子構(gòu)象和二維排布進(jìn)行觀察.初步研究結(jié)果表明,表面膜壓對(duì)于氣液界面上DNA的分子構(gòu)象以及復(fù)合單分子膜的結(jié)構(gòu)有著較大的影響.通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)移膜壓能夠得到具有特殊形態(tài)和結(jié)構(gòu)的DNALB膜,利用這種二維圖案化的DNA模板可望構(gòu)筑具有特殊性質(zhì)的納米有序功能體系.1實(shí)驗(yàn)部分1.1試驗(yàn)用水及設(shè)備小牛胸腺DNA購(gòu)自Sigma公司,十八胺(ODA)為日本東京化成試劑產(chǎn)品,氯仿為分析純,使用前經(jīng)重蒸處理.所有試驗(yàn)用水為三次蒸餾后經(jīng)去離子純化系統(tǒng)處理的超純水,阻抗為18MΩ·cm.π-A曲線測(cè)定和LB膜制備在法國(guó)ATEMETA公司LB-105拉膜槽上進(jìn)行.形貌觀察在日本Seiko公司SPA-400掃描探針顯微鏡(SPM)上進(jìn)行.1.2不同表面的干擾反應(yīng)亞相采用濃度為3μg/mL的DNA水溶液(pH=6),用微量注射器將適量十八胺的氯仿溶液鋪展到氣液界面上,待氯仿蒸發(fā)20min后,推膜記錄π-A曲線,分別在不同的表面壓下,轉(zhuǎn)移單分子膜到云母基片上,提膜速度設(shè)為4mm/min.2轉(zhuǎn)移oda/dna復(fù)合膜的afm觀察圖1為ODA分子分別鋪張純水亞相(a)和DNA水溶液(b)上經(jīng)過(guò)壓縮所得到的等溫曲線.從陡直曲線a可得出ODA分子在純水亞相上的極限面積為0.2nm2.曲線b與曲線a相比,其壓力上升較為平緩,得出氣液界面分子膜的極限面積為0.45nm2,比在純水亞相上ODA分子的分子面積明顯增大,表明在氣液界面上的ODA分子與亞相中DNA分子發(fā)生了相互作用.DNA分子是一個(gè)帶有負(fù)電荷的聚陰離子,在水中其骨架上的磷酸基團(tuán)帶負(fù)電荷,可與氣液界面上的十八胺分子帶正電的氨基發(fā)生靜電吸附作用.大量的線性螺旋的DNA分子不斷被吸附到氣液界面,在靜電引力作用下收縮,不斷在膜下聚集,同時(shí)通過(guò)與ODA分子的脂肪鏈的疏水作用插入到氣液界面ODA分子膜中;隨著膜壓的變化,膜中DNA的構(gòu)象發(fā)生變化,從而引起氣液界面分子膜的重新排列,形成了ODA/DNA復(fù)合膜,使得等溫曲線上表現(xiàn)為ODA分子的平均占有面積增大.實(shí)驗(yàn)表明吸附時(shí)間愈長(zhǎng),π-A曲線的平移就愈大.圖2為在不同膜壓下轉(zhuǎn)移ODA/DNA復(fù)合膜到云母基片上所得的AFM圖像.圖2a為膜壓15mN/m時(shí)轉(zhuǎn)移得到的ODA/DNA單分子膜.由π-A曲線圖1b可以得出此壓力下對(duì)應(yīng)于氣液分子膜的液態(tài)擴(kuò)張相,氣液界面的ODA和DNA分子自聚集成小區(qū)域,形成分相的結(jié)構(gòu).從π-A曲線還得出DNA和ODA分子在氣液界面所占的面積比約為2∶1.圖2a中亮的枝狀部分對(duì)應(yīng)于DNA分子的纖維狀聚集體,高度約為3nm,與單個(gè)雙鏈DNA分子的理論直徑比較相近(2nm),暗的位置對(duì)應(yīng)于ODA分子的聚集部分.AFM觀察表明線形的DNA分子在LB膜內(nèi)相互纏繞聚集并形成樹(shù)枝狀發(fā)散的DNA纖維,各個(gè)DNA纖維彼此交連構(gòu)成了具有特殊結(jié)構(gòu)的分形圖案.圖中復(fù)合膜內(nèi)DNA和ODA所占的面積比同從π-A曲線上得到的面積比一致.圖2b為膜壓在30mN/m時(shí)轉(zhuǎn)移所得DNA復(fù)合膜的AFM像,ODA/DNA分子在較高的壓力下被繼續(xù)壓縮,氣液界面單分子膜進(jìn)入到由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變階段,從π-A曲線得出轉(zhuǎn)移時(shí)DNA和ODA分子在氣液界面所占的面積比約為1∶1.圖2b表明在膜壓為30mN/m下,DNA分子在復(fù)合膜中由原先的枝狀發(fā)散結(jié)構(gòu)逐漸變化成了一種相互連接更為密集的網(wǎng)絡(luò)狀的分布.在膜壓為45mN/m時(shí)轉(zhuǎn)移所得DNALB膜的AFM像如圖2c所示.在很高的壓力下,氣液界面單分子膜表現(xiàn)為固態(tài),從π-A曲線得出DNA和ODA分子在氣液界面所占的面積比約為1∶2,膜內(nèi)所含DNA量急劇減少.從圖2c可以看出在膜壓下,DNA分子在膜內(nèi)進(jìn)一步收縮相互聚集成顆粒和團(tuán)簇狀,這與活體細(xì)胞中,天然狀態(tài)的DNA密集堆積的存在形式是一致的.結(jié)合π-A曲線分析,我們認(rèn)為原先膜中插入的大量DNA逐漸被從膜中擠出.隨著壓力的進(jìn)一步增高,DNA分子還將不斷地被排出膜外,直至氣液界面的分子膜發(fā)生崩潰.結(jié)合DNA/ODA分子在氣液界面的壓縮等溫曲線和轉(zhuǎn)移后的AFM形貌,我們可以得出DNA分子和ODA單分子膜在氣液界面的相互作用的基本過(guò)程,如圖3所示.首先,當(dāng)表面鋪展ODA分子后,亞相中線形的DNA分子開(kāi)始和ODA分子發(fā)生靜電吸附,在靜電引力作用下開(kāi)始聚集在膜下;隨著膜壓的改變,當(dāng)氣液界面的ODA分子膜經(jīng)過(guò)壓縮由氣態(tài)轉(zhuǎn)變到液態(tài)區(qū)時(shí)(圖3a),隨著膜下吸附的DNA分子量逐漸增多,線形的DNA分子相互纏繞發(fā)生自組裝團(tuán)聚并通過(guò)靜電作用插入到ODA分子膜內(nèi),這種液態(tài)復(fù)合分子膜具有很大的流動(dòng)性,膜內(nèi)的ODA分子和DNA分子分別自聚集成不同的微區(qū),形成特殊的枝狀分形圖案.隨著壓力增大,分子膜開(kāi)始逐漸發(fā)生凝聚(圖3b),原先DNA/ODA分子膜的松散排列結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得緊密,膜內(nèi)DNA發(fā)散的枝狀分形結(jié)構(gòu)繼續(xù)收縮形成較密集的網(wǎng)絡(luò)狀的分布形態(tài).當(dāng)壓力進(jìn)一步增大后,復(fù)合膜進(jìn)入固態(tài),此時(shí)膜內(nèi)的ODA分子密集排列,分布于其間的DNA結(jié)構(gòu)聚集形成顆粒或者大的團(tuán)簇狀(圖3c),在高壓力作用下逐漸被擠出分子膜,在膜上形成了聚集的團(tuán)簇結(jié)構(gòu).3復(fù)合單分子膜的制備通過(guò)等溫壓縮曲線和AFM像研究了氣液界面上DNA與ODA單分子膜的相互作用過(guò)程.首先DNA分子從水亞相被吸附到ODA單分子膜內(nèi),隨著膜壓的變化,DNA分子的構(gòu)象發(fā)生一系列變化,從線形螺旋到彎曲收縮,相互纏繞,直到在膜中聚集成團(tuán)簇.但這種堆積態(tài)并不意味著其活性的改變,這與生物活體細(xì)胞中DNA分子通