dna特征片段亚太赫兹光谱研究【字数：7216】
摘 要DNA特征片段(功能片段)在序列中的分布规律，对遗传学、生物信息学等都有重要的应用意义。本文主要研究DNA特征片段的亚太赫兹光谱。通过测试DNA特征片段样品的振动光谱，找出所有特征峰的位置。与计算值比较后发现，内部碱基排序不同的序列在太赫兹波段具有相似的光谱。它们主要在低频区域相互区分，特别是在1 THz以下。本研究为后期基于DNA长链结构模拟的分子动力学模型奠定了重要基础。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究安排 3
第二章 材料和方法 4
2.1材料及仪器 4
2.2计算方法 4
第三章 结果和讨论 6
3.1碱基对共晶的亚太赫兹光谱和振动模式 6
3.2多核苷酸亚太赫兹光谱和振动模式 9
第四章 结论 12
结束语 13
致谢 14
参考文献 15
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
脱氧核糖核酸（英语：Deoxyribonucleic acid，缩写为DNA）又称去氧核糖核酸，是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作[1]。主要功能是长期性的资讯储存，可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。
DNA是一种长链聚合物，组成单位称为核苷酸，而糖类与磷酸分子借由酯键相连，组成其长链骨架。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相接，这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列，可组成遗传密码，是蛋白质氨基酸序列合成的依据。读取密码的过程称为转录，是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息，另有一些本身就拥有特殊功能，例如rRNA、snRNA与siRNA。
在细胞内，DNA能组织成染色体结构，整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制，此过程称为DNA复制[2]。对真核生物，如动物、植物及真菌而言，染色 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
体是存放于细胞核内；对于原核生物而言，如细菌，则是存放在细胞质中的类核里[3]。染色体上的染色质蛋白，如组织蛋白，能够将DNA组织并压缩，以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用，进而调节基因的转录。寻找某些特征片段(功能片段)在序列中的分布规律，对遗传学、生物信息学等都有重要的应用意义[4]。
作为光谱测量技术的一个重要手段，太赫兹时域光谱（THzTDS）技术展现出其独特的优势[5]。太赫兹频段指的是频率在0.110 THz（即3.3333 cm1）间的电磁辐射，其波段介于远红外和微波之间[6]。一直以来，大部分生物大分子的光谱研究都是在高于10 THz的频率范围内进行，通过拉曼或红外等光谱获得相关结构和分子特征等信息。随着飞秒（fs）激光技术的发展，THz光谱技术有了突破性的进展[7]，在生物大分子鉴别上也已得到应用。太赫兹技术为生物学、物理学、化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。太赫兹波技术在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都很好的应用前景。
虽然在110 THz存在大量的DNA分子主链间的受激本征共振，可以反映出分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的低频本征振动模式[8]，但是，这些振动模式并不能很好地区分差异较小序列的DNA片段。近年来，越来越多的理论研究和实验发现在亚太赫兹频段（0.11 THz），光谱特征是由最弱的键或非键相互作用的低频分子内部振动引起的：如范德华力，弥散力和氢键[9]。这种依赖于双螺旋碱基对弱氢键的内部振动，对大分子的组成和拓扑非常敏感，并且对与遗传信息转移有关的主要过程如复制，转录和病毒感染具有很大的影响。因此，在这个范围内出现的声子模式应该反映DNA序列特有的特征[10]。只要选择适当的光谱分辨率（其足以表征谱线的宽度），可以区分以低频声子模式为代表的强窄谱特征，进而用以鉴别DNA长链及其特征片段。在亚太赫兹频段，水的吸收至少比太赫兹频段低23个数量级，受水气的干扰较小，而受环境中水溶液或者水蒸气的影响，在太赫兹波段（这里特指110 THz）难以测得液态样品的光谱。因此，在亚太赫兹频段测量时，传感器无需抽成真空或用干燥的氮气吹扫[11]。更重要的是许多生物样品可以维持原有生存状态（如保持在水溶剂中）独特的分子构型（如DNA常见的三种构型A/B/Z）。
1.2国内外研究现状
DNA是分子结构复杂的有机化合物。作为染色体的一个成分而存在于细胞核内。功能为储藏遗传信息[]。自从1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型以来，探索DNA一级结构的工作就广泛开展。20世纪90年代，人类基因组计划的启动口，更有力推动了DNA测序工作的发展[]。然而测序不是最终目的，对序列特征的分析翻译才能帮助我们解开生命之谜。
自20世纪90年代以来，国际上，在THz光谱与成像方面的研究取得了令人瞩目的成果与进展。太赫兹时域光谱(THzTDS)技术是20世纪80年代由 AT&T，Bell 实验室和IBM 公司的 T.J.Watson 研究中心发展起来的，是最新的太赫兹技术[4]。在我国，自中国科学院物理所于二十世纪九十年代末期建立THz实验室以来，已先后在首都师范大学，上海应用物理所，中科院上海微系统与信息技术研究所等研究机构与学校建立了THz光谱与成像实验室。2005年，在北京召开了以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的学术讨论会，至此，我国的THz研究及应用开发开启了一个新的阶段。自进入二十一世纪以来，国内每年都有关于THz光谱与成像方面的学术会议，在会议上，各研究机构讨论了以THz辐射为探测光源的时域光谱测量在基础物理、信息材料、化学和生物材料研究中的应用、以及THz成像和THz技术在材料研究、安全检查和生物医学等领域的应用前景。部分研究的成果已经赶上并超过世界这方面的研究水平。随着THzTDS的出现，DNA碱基对晶体和多核苷酸在实验和理论上都引起了极大的兴趣。King等利用THz谱和DFT研究了修饰DNA碱基对晶体内的非共价相互作用。他们发现甲基化/乙基化的核酸酶衍生物与DNA碱基对氢键结合后结晶，这与在DNA中发现的类似。他们还证实，10100 cm1范围内的振动来自于在每个单独的晶体系统中发现的独特有序的组装和分子间的相互作用。在我们之前的研究中,我们发现DNA的振动模式(在太赫兹波段)基地晶体实际上源于集体晶格振动的单体,特别是氢键,弱的分子间的相互作用以及包装晶格的能量频率范围110太赫兹。伍拉德等人的实验证实[8]，从DNA样品中获得的0.0110 THz的亚毫米波光谱中存在多个介质共振。最重要的是，直接比较不同DNA样品之间的光谱，可以发现大量的模式和合理水平的序列特异性唯一性。Tsurkan等人[10]使用飞秒激光和基于BWO和高Q腔的频率合成器两种THz光谱方法研究了鲱鱼降解DNA的实验光谱。Li等人[11]在分子动力学模拟的基础上，从理论上研究了DNA十聚体的太赫兹谱，并在1025cm1 (0.030.75THz)的频率范围内对其进行了实验测量。虽然给出了几种振动模式，但它们都没有找到谱差与基序列之间的关系。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究安排 3
第二章 材料和方法 4
2.1材料及仪器 4
2.2计算方法 4
第三章 结果和讨论 6
3.1碱基对共晶的亚太赫兹光谱和振动模式 6
3.2多核苷酸亚太赫兹光谱和振动模式 9
第四章 结论 12
结束语 13
致谢 14
参考文献 15
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
脱氧核糖核酸（英语：Deoxyribonucleic acid，缩写为DNA）又称去氧核糖核酸，是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作[1]。主要功能是长期性的资讯储存，可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。
DNA是一种长链聚合物，组成单位称为核苷酸，而糖类与磷酸分子借由酯键相连，组成其长链骨架。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相接，这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列，可组成遗传密码，是蛋白质氨基酸序列合成的依据。读取密码的过程称为转录，是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息，另有一些本身就拥有特殊功能，例如rRNA、snRNA与siRNA。
在细胞内，DNA能组织成染色体结构，整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制，此过程称为DNA复制[2]。对真核生物，如动物、植物及真菌而言，染色 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
体是存放于细胞核内；对于原核生物而言，如细菌，则是存放在细胞质中的类核里[3]。染色体上的染色质蛋白，如组织蛋白，能够将DNA组织并压缩，以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用，进而调节基因的转录。寻找某些特征片段(功能片段)在序列中的分布规律，对遗传学、生物信息学等都有重要的应用意义[4]。
作为光谱测量技术的一个重要手段，太赫兹时域光谱（THzTDS）技术展现出其独特的优势[5]。太赫兹频段指的是频率在0.110 THz（即3.3333 cm1）间的电磁辐射，其波段介于远红外和微波之间[6]。一直以来，大部分生物大分子的光谱研究都是在高于10 THz的频率范围内进行，通过拉曼或红外等光谱获得相关结构和分子特征等信息。随着飞秒（fs）激光技术的发展，THz光谱技术有了突破性的进展[7]，在生物大分子鉴别上也已得到应用。太赫兹技术为生物学、物理学、化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。太赫兹波技术在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都很好的应用前景。
虽然在110 THz存在大量的DNA分子主链间的受激本征共振，可以反映出分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的低频本征振动模式[8]，但是，这些振动模式并不能很好地区分差异较小序列的DNA片段。近年来，越来越多的理论研究和实验发现在亚太赫兹频段（0.11 THz），光谱特征是由最弱的键或非键相互作用的低频分子内部振动引起的：如范德华力，弥散力和氢键[9]。这种依赖于双螺旋碱基对弱氢键的内部振动，对大分子的组成和拓扑非常敏感，并且对与遗传信息转移有关的主要过程如复制，转录和病毒感染具有很大的影响。因此，在这个范围内出现的声子模式应该反映DNA序列特有的特征[10]。只要选择适当的光谱分辨率（其足以表征谱线的宽度），可以区分以低频声子模式为代表的强窄谱特征，进而用以鉴别DNA长链及其特征片段。在亚太赫兹频段，水的吸收至少比太赫兹频段低23个数量级，受水气的干扰较小，而受环境中水溶液或者水蒸气的影响，在太赫兹波段（这里特指110 THz）难以测得液态样品的光谱。因此，在亚太赫兹频段测量时，传感器无需抽成真空或用干燥的氮气吹扫[11]。更重要的是许多生物样品可以维持原有生存状态（如保持在水溶剂中）独特的分子构型（如DNA常见的三种构型A/B/Z）。
1.2国内外研究现状
DNA是分子结构复杂的有机化合物。作为染色体的一个成分而存在于细胞核内。功能为储藏遗传信息[]。自从1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型以来，探索DNA一级结构的工作就广泛开展。20世纪90年代，人类基因组计划的启动口，更有力推动了DNA测序工作的发展[]。然而测序不是最终目的，对序列特征的分析翻译才能帮助我们解开生命之谜。
自20世纪90年代以来，国际上，在THz光谱与成像方面的研究取得了令人瞩目的成果与进展。太赫兹时域光谱(THzTDS)技术是20世纪80年代由 AT&T，Bell 实验室和IBM 公司的 T.J.Watson 研究中心发展起来的，是最新的太赫兹技术[4]。在我国，自中国科学院物理所于二十世纪九十年代末期建立THz实验室以来，已先后在首都师范大学，上海应用物理所，中科院上海微系统与信息技术研究所等研究机构与学校建立了THz光谱与成像实验室。2005年，在北京召开了以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的学术讨论会，至此，我国的THz研究及应用开发开启了一个新的阶段。自进入二十一世纪以来，国内每年都有关于THz光谱与成像方面的学术会议，在会议上，各研究机构讨论了以THz辐射为探测光源的时域光谱测量在基础物理、信息材料、化学和生物材料研究中的应用、以及THz成像和THz技术在材料研究、安全检查和生物医学等领域的应用前景。部分研究的成果已经赶上并超过世界这方面的研究水平。随着THzTDS的出现，DNA碱基对晶体和多核苷酸在实验和理论上都引起了极大的兴趣。King等利用THz谱和DFT研究了修饰DNA碱基对晶体内的非共价相互作用。他们发现甲基化/乙基化的核酸酶衍生物与DNA碱基对氢键结合后结晶，这与在DNA中发现的类似。他们还证实，10100 cm1范围内的振动来自于在每个单独的晶体系统中发现的独特有序的组装和分子间的相互作用。在我们之前的研究中,我们发现DNA的振动模式(在太赫兹波段)基地晶体实际上源于集体晶格振动的单体,特别是氢键,弱的分子间的相互作用以及包装晶格的能量频率范围110太赫兹。伍拉德等人的实验证实[8]，从DNA样品中获得的0.0110 THz的亚毫米波光谱中存在多个介质共振。最重要的是，直接比较不同DNA样品之间的光谱，可以发现大量的模式和合理水平的序列特异性唯一性。Tsurkan等人[10]使用飞秒激光和基于BWO和高Q腔的频率合成器两种THz光谱方法研究了鲱鱼降解DNA的实验光谱。Li等人[11]在分子动力学模拟的基础上，从理论上研究了DNA十聚体的太赫兹谱，并在1025cm1 (0.030.75THz)的频率范围内对其进行了实验测量。虽然给出了几种振动模式，但它们都没有找到谱差与基序列之间的关系。
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