基于钌多吡啶类配合物的DNA分子光开关及生物传感研究

用, 而与 I-motif 的作用仅靠静电和疏水作用形成的 非特异性结合模式. 我们课题组最近又通过修饰 dppz 配体, 在 dppz 上引入咪唑酮后 , 合成了钌多吡啶配合物 [Ru(bpy)2(dppz-idzo)]2+和[Ru(phen)2(dppz-idzo)]2+. 荧光滴定的 结果显示, 上述配合物对 G-四链体 DNA 都表现出了 非常好的分子光开关效应, 与经典的配合物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+和 [Ru(phen)2(dppz)]2+相比 , 其荧光 增强幅度更大[31, 32]. 当它们与 G-四链体在钾离子缓 冲液中作用达到饱和时, 荧光增长因子分别为 300 和 120 左右(对应的荧光量子产率分别为 0.067 和 0.100). 此外 , 它们还对混合型 G-四链体表现出较好良的选 择性 , 而这种分子光开关效应和选择性甚至可以通 过在紫外灯照射下进行裸眼区分 . 为了深入了解分 子光开关的详细作用机理 , 我们在 B3LYP/6-31G*/ LANL2DZ 层 级 上 对 这 两 个 配 合 物 进 行 了 基 于 DFT/TDDFT/PCM 方法的计算. 计算结果表明, 在水 溶液中 , 暗态(DSs)主导整个分子能量最低的 MLCT 激发能态 ; 而在不考虑溶剂时 , 明态 (BSs) 在 MLCT 能态中占主导地位 . 这也就解释了为什么我们的配 合物单独在水溶液中不显荧光, 而与 DNA 结合被疏 水空腔保护之后表现出很强的荧光信号. 2012 年 , 巢晖等 [33]合成了一种非对称单核钌配 合物[Ru(bpy)2(bqdppz)]2+(图 1), 也可以用作 G-四链 体的裸眼检测 . 他们首先用荧光法观察了配合物与 各种 DNA 的光开关效应, 包括平行、反平行和混合 型 G-四链体 , I-motif 以及一些单链和双链 DNA. 他 们发现 , 该配合物对 G-四链体的选择性普遍高于其 他结构 , 尤其是对混合型 G-四链体的选择性要高出 普通双链 DNA 约 45 倍. 在紫外灯照射下, 人们能够 清楚地观察到此配合物在不同的 DNA 条件下的颜色 差异. Thomas 等发现 , 双核配合物 [(phen)2Ru(tpphz)Ru(phen)2]4+ 可以作为 G-四链体的分子光开关, 亦可 用于细胞成像[34, 35]. 2010 年, 周翔等[36]报道了一种新 型双核钌配合物[Ru2X]4+(图 1)分子光开关, 它能够很 好地区分四链体和双链 DNA. 他们在接近生理条件 的高离子强度溶液中观察了该配合物与各种不同的 DNA 结构(包括由端粒, bcl2, Pu18, c-kit 和 vegf 等形 成的不同结构的 G- 四 链体 , 以及一些单链和双链 DNA) 作用时的荧光光谱 . 结果显示 , 当加入单链和 双链 DNA 时, 配合物的荧光几乎没有变化, 而当加
石硕 *, 姚天明 *, 计亮年
① ① ①②
① 同济大学化学系, 上海 200092 ② 生物无机与合成化学教育部重点实验室; 中山大学化学与化学工程学院, 广州 510275 * 通讯作者, E-mail: shishuo@tongji.edu.cn, tmyao@tongji.edu.cn 收稿日期: 2013-10-24; 接受日期: 2013-11-17; 网络版发表日期: 2014-02-19 doi: 10.1360/032013-324
第 44 卷
第4期
图1
基于钌配合物的分子光开关配合物的结构 461
石硕等: 基于钌多吡啶类配合物的 DNA 分子光开关及生物传感研究
图2
DNA 的部分二级结构
2 DNA 分子光开关
2.1 分子光开关的机制
最经典的可以作为 DNA 分子光开关的钌配合物 是由 Barton 课题组报道的 [Ru(bpy) 2 (dppz)] 2 + 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ [7~9]. 自此以后, 研究者试图解开 分子光开关之谜 , 通过大量实验和理论的方法开展 了一系列的工作 , 不过迄今为止其详细机理尚无定 . 早期研究表明, 由于插入配体 dppz 上吩嗪 论 (phenazine, phz)部分有两个 N 原子, N 原子容易与水 分子发生质子转移反应, 从而导致 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和[Ru(phen)2(dppz)] 荧光猝灭 . 插入 DNA 分子后 , 配合物被充分保护, 隔绝了和水的接触, 从而引起荧 光的恢复, 如配合物在有机溶剂中产生很强的荧光一 样. 2012 年 Barton 和 Cardin 分别报道了-[Ru(bpy)2(dppz)]2+和 Λ-[Ru(phen)2(dppz)]2+与 DNA 结合的晶体 结构 , 也进一步证实了在结晶状态下配合物可以从 DNA 小沟方向插入 DNA 双螺旋链中[21, 22]. Turro 等 对双核配合物 [(bpy)2Ru(tpphz)Ru(bpy)2]4+的研究发 现, 配合物是否插入 DNA 链中, 并不是分子光开关 的关键所在, 与 DNA 沟面结合的配合物亦可引起光
图 3 分子关开关配合物的能量分布图 . BS, 明态 (bright state); DS, 暗态(dark state); MS, 混合态(mixed state)[18]
中国科学: 化学
2014 年
第 44 卷
第4期
DNA 与配合物结合后 , 阻止了溶剂的氢键作用 , 相 当于配合物处于非质子溶剂中 , 所以会有荧光产生 . Turro 等 用 理 论 计 算 的 方 法 也 解 释 了 最 低 空 轨 道 (LUMO)电子分布在辅助配体或 dppz 中的 bpy 部分的 时候 , 处于 “明态 ”, 而电子分布在 phz 部分的时候 , 配合物处于“暗态”[18, 23].
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 评 述
2014 年
第 44 卷
第 4 期: 460 ~ 470
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庆祝计亮年院士 80 华诞专刊
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基于钌多吡啶类配合物的 DNA 分子光开关及 生物传感研究
13~17]
能和丰富的谱学性质 , 以及独特的 DNA 键合能力 , 在 DNA 分子光开关、DNA 结构探针、DNA 介导的 电荷转移、DNA 足迹试剂、DNA 断裂试剂及抗癌药 物等方面有着广泛的应用, 在生物无机化学、材料化 学、 分析化学, 及理论化学等领域中引起了极大关注, 成为十分活跃的前沿与交叉研究领域 [1~6]. 1990 年 Barton 研究小组首次发现配合物 [Ru(bpy)2(dppz)] 和[Ru(phen)2(dppz)]
462
2+ [18~20]
开关效果[23]. 目前认可度较高的观点认为, 此类钌配 合物的光开关效应得益于其自身存在的两个不同的 电荷迁移跃迁 (MLCT)能态 (图 3). 在非质子溶剂中 , 最低能态是 “明态 ”(bright state, BS), 主要和配体的 bpy 部分有关(包括 dppz 中的双吡啶部分), 此时在激 发光存在的条件下通常能够观察到荧光或磷光 , 因 为激发态电子从 BS 迁回基态时以光辐射的形式放出 能量. 在质子溶剂中, 配体吩嗪(phenazine, phz)部分 的 N 原子与溶剂发生氢键作用使得 “暗态” (dark state, DS)的能量下降至低于 BS 的能量, 此时配合物将不 再发光 , 激发态电子将以振动弛豫的形式返回基态 .
[7~9]
. 放射性标记
核酸探针已广泛用于分子生物学和临床诊断, 但由于 放射性同位素本身的一些缺陷(如污染、运输、半衰期 短等)促使人们去探索新型非放射性核酸探针. 本文结 合我们课题组的工作, 重点介绍了钌多吡啶类配合物 在 DNA 分子光开关和生物传感两个方面开展的工作.
.
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2014 年
摘要
DNA 结构具有多态性, 利用小分子化合物对不同结构的 DNA 分子进行识别及调
控具有重要的生物学意义. 本文主要针对近年来钌多吡啶配合物作为 DNA 分子光开关的 研究进行综述, 内容包括 DNA 分子光开关的机制, 不同结构 DNA 的分子光开关, DNA 分 子光开关的开关循环控制策略和钌多吡啶类配合物及与纳米材料相结合作为生物传感器 的研究.
2+ 2+
(bpy 为 2,2′-联吡啶(2,2′-bipyri-
dine), phen 为 1,10-邻菲罗啉(1,10-phenanthroline), dppz 为 双 吡 啶 并 吩 嗪 (dipyrido-[3,2-a:2′,3′-c]phenazine)) (图 1)在水溶液中几乎没有荧光 , 而当溶液中加入经 典双链 DNA 后, 其荧光可以增加 104 倍, 因此把它 们称为 DNA 的分子“光开关”, 自此激发了人们乐此 不疲的探索与研究新的 DNA 分子光开关的兴趣, 也 拉开了设计、 开发及应用 DNA 分子光开关的大幕
2.2 钌多吡啶类配合物作为不同结构 DNA 的分子 光开关
Barton 小 组 [7~9, 24~26] 详 细 研 究 了 经 典 配 合 物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 不 同 序 列 双链 DNA 的作用, 包括完全互补序列, 单碱基或多 碱基错配序列, 以及缺陷序列等, 发现配合物的光开 关效果受 DNA 序列的影响. McGarvey 等[27]还研究了 这对明星分子对单链 DNA 的光开关效果, 他们发现 DNA 的链的长短明显影响配合物的荧光强度 , 至少 6 个碱基的 DNA 序列方可产生明显的光开关效应 . 他们认为单链 DNA 包围在配合物的周围 , 形成一 个空穴结构, 避免了配合物与水的接触, 产生了类似 双链 DNA 的保护作用. Norden 等[28]研究了[Ru(bpy)2(dppz)]2+和[Ru(phen)2(dppz)]2+ 等配合物与三链 DNA poly(dT*dA-dT) 的 作 用 , 发 现 该 配 合 物 亦 能 插 入 DNA 链中 , 第三条链虽然占据 DNA 大沟区间 , 由 于配合物是从 DNA 小沟插入, 故对 DNA 的插入作用 影响不大. 我 们 课 题 组 系 统 研 究 了 经 典 配 合 物 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和 [Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 G-quadruplex 和 I-motif DNA 的键和作用[29, 30]. G-quadruplex 是由富 含鸟嘌呤(G)的 DNA 序列通过 Hoogsteen 氢键形成的 G-四联体堆积而成. 相对应的富含胞嘧啶(C)的 DNA 序列在酸性条件下 , 两个胞嘧啶通过结合一个质子 形成三个氢键作为一层 , 从而交叉堆叠成相互交叉 的半质子化的 I-motif 结构. 我们首次发现[Ru(phen)2(dppz)]2+ 对 G-四链体和 I-motif DNA 都有明显的光 开关效果 , 而 [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 仅对 G- 四链体表现 光开关现象. 造成该差异的原因可能在于[Ru(phen)2(dppz)]2+ 的辅助配体 phen 中含有比配体 bpy 更大的 平面芳香环, 更易于和 G-四链体和 I-motif DNA 结合. 同时通过紫外、荧光、CD 光谱(圆二色谱)、热变性 等实验发现, [Ru(bpy)2(dppz)]2+ 和[Ru(phen)2(dppz)]2+ 与 G-四链体的作用明显强于 I-motif, 产生的差异在 于配合物与 G- 四链体的结合模式为末端 - 堆积作
关键词 钌多吡啶配合物 DNA 分子光开关 生物传感
1
引言
钌多吡啶类配合物具有良好的光化学、 光物理性
自从 Watson 等人提出 DNA 双螺旋结构(B-DNA) 以 来 , 非 经 典 DNA 结 构 如 雨 后 春 笋 般 出 现 , 如 , A-DNA, Z-DNA, DNA 发 卡 (hairpins), DNA 凸 起 (bulges), DNA 交叉结构 (junctions), 三螺旋 (triplex), G- 四链体 (G-quadruplex) 和 C- 四链体 (I-motif) 等 [10~12] (图 2). DNA 结构的多样性及不同的生物学意义, 激励 着科学家利用小分子化合物探究识别 DNA 的不同结 构, 这对分子识别、疾病诊断、药物设计、基因治疗 等具有重要的意义. 近 20 年来, 大量的钌多吡啶类配 合物被设计合成, 与 DNA 的结合亦进行了大量而详 尽的研究[1~6]. 配合物的结构设计、DNA 键合机制、 DNA 介导的电子转移、配合物的抗癌活性、细胞及体 内成像等均有精彩的综述报道 [1~6,