通訊單位：南開(kāi)大學(xué)、ANSTO–墨爾本1. 利用Mn-MOF無(wú)需后修飾實(shí)現(xiàn)對(duì)N6-mA在內(nèi)的三種嘌呤堿基的同步定量識(shí)別。2. 首次實(shí)現(xiàn)真核生物DNA中所有三種已知嘌呤堿基的電化學(xué)識(shí)別。3. 利用同步輻射和DFT計(jì)算展現(xiàn)了Mn-MOF與嘌呤分子之間的主客體相互作用。MOFs應(yīng)用于N6-mA 檢測(cè)的潛力與優(yōu)勢(shì)嘌呤是DNA的基本組成部分，因此對(duì)其的識(shí)別和區(qū)分是基因工程、分子生物學(xué)和生命進(jìn)化研究的重要方向之一。傳統(tǒng)的研究認(rèn)為真核生物DNA中只存在腺嘌呤 (A) 和鳥嘌呤 (G) 兩種嘌呤堿基，而最近的研究成果中卻發(fā)現(xiàn)N6-甲基腺嘌呤 (N6-mA) 可能是第三種存在于真核生物DNA中嘌呤堿基，因此對(duì)其檢測(cè)識(shí)別具有非常重要的意義。目前能用來(lái)檢測(cè)N6-mA的手段主要包括：N6-mA甲基化DNA免疫沉淀測(cè)序 (MeDIP-seq)、單分子實(shí)時(shí)測(cè)序 (SMRT)、超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用多反應(yīng)監(jiān)測(cè) (UHPLC-MRM-MS/MS) 分析等。這些方法都存在成本高、需要繁瑣的預(yù)處理步驟以及對(duì)操作要求高等問(wèn)題，限制了它們?cè)诔Ｒ?guī)研究中的使用。因此，亟需一種新型的低成本省時(shí)的方法來(lái)識(shí)別檢測(cè)N6-mA。
金屬有機(jī)框架材料（MOFs）是一類多孔絡(luò)合物，在環(huán)境修復(fù)、儲(chǔ)存、分離、生物、催化、離子和分子識(shí)別等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。由于MOFs本身具有孔道構(gòu)造尺寸可控，比表面積大，可引入不同功能的取代基等優(yōu)點(diǎn)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定物質(zhì)的主動(dòng)捕獲與相互作用，這種主體-客體之間的相互作用可以被一些快捷檢測(cè)手段（例如光致發(fā)光和電化學(xué)）捕捉到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的檢測(cè)。另外，高分辨同步輻射技術(shù)的應(yīng)用可以深入探究MOF孔道與客體分子之間相互作用的機(jī)理。近日，南開(kāi)大學(xué)馬建功教授、程鵬教授課題組設(shè)計(jì)合成了一種新型Mn-MOF材料，利用該Mn-MOF與嘌呤分子之間的主-客體相互作用的差異實(shí)現(xiàn)了同時(shí)定量識(shí)別包括N6-mA在內(nèi)的真核生物DNA中所有三種已知嘌呤堿基分子。通過(guò)與澳大利亞ANSTO同步輻射專家顧勤奮教授合作，利用同步輻射技術(shù)和DFT計(jì)算深入研究了MOF孔道與客體分子之間相互作用的機(jī)理。
▲圖1. 新型Mn-MOF材料同步識(shí)別三種嘌呤分子及其作用機(jī)理
要點(diǎn)1：設(shè)計(jì)合成具有特定結(jié)構(gòu)的Mn-MOF (1) 材料 在該工作中，作者成功合成了一種結(jié)構(gòu)新穎的Mn-MOF (1)材料，該Mn-MOF具有三種不同類型的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元 (圖2B、2C、2D) ，不同的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元之間通過(guò)配體連接最終形成三維框架結(jié)構(gòu)，該框架包含三種不同孔徑尺寸的一維孔道，其沿a軸方向的孔道直徑分別為5.0×7.3、6.8×8.6和12.5×12.9 ? (圖2E)。獨(dú)特的三維框架結(jié)構(gòu)和較大的孔徑使得該Mn-MOF能夠主動(dòng)捕獲腺嘌呤(A)、鳥嘌呤 (G)和N6-甲基腺嘌呤 (N6-mA)進(jìn)入孔道并產(chǎn)生主-客體相互作用。▲圖2. Mn-MOF (1) 的晶體結(jié)構(gòu)
要點(diǎn)2. 通過(guò)同步輻射研究Mn-MOF (1)與嘌呤分子之間的主-客體相互作用為了研究Mn-MOF (1) 與其孔道內(nèi)嘌呤分子A、G和N6-mA的主-客體之間的相互作用，作者分別將等量的1浸泡在A、G或N6-mA溶液中，得到了相應(yīng)的“1+嘌呤”體系，并通過(guò)高分辨率同步輻射 PXRD對(duì)得到的體系分別進(jìn)行檢測(cè)。如圖3所示，進(jìn)行浸泡吸附后1 的峰并沒(méi)有發(fā)生明顯位置變化，證明1可以在嘌呤溶液環(huán)境中保持穩(wěn)定。將同步輻射PXRD數(shù)據(jù)還原計(jì)算，得到了1在吸附前后晶胞參數(shù)的變化。根據(jù)還原所得數(shù)據(jù)可知，在進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)后1的晶胞體積均發(fā)生了輕微的膨脹，證明1的孔道結(jié)構(gòu)對(duì)嘌呤分子的成功捕獲及其相互作用。▲圖3. Mn-MOF (1) 吸附嘌呤分子前后高分辨同步輻射PXRD譜圖與相應(yīng)結(jié)構(gòu)
要點(diǎn)3. DFT理論計(jì)算探究相互作用機(jī)理為了進(jìn)一步研究對(duì)比Mn-MOF (1) 與三種已知嘌呤之間的存在的主-客體相互作用，作者進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算(DFT)。計(jì)算結(jié)果顯示，Mn-MOF (1) 的晶體框架中a軸方向最大的孔(12.5×12.9 ?)可以吸附容納N6-mA、A、G 三種嘌呤(圖4A、4B)。計(jì)算Mn-MOF (1)與嘌呤分子之間的結(jié)合能可知，在三種嘌呤分子中，G的結(jié)合能最強(qiáng)(-0.3678 eV)，A的結(jié)合能最弱(-0.1256 eV)，N6-mA處于中間(-0.1726 eV) (圖4C、4D、4E)。三種嘌呤分子與Mn-MOF (1) 的框架結(jié)構(gòu)之間的主-客體相互作用存在明顯的差異，這也為Mn-MOF (1) 能對(duì)三種嘌呤分子分別進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)提供了理論支持。根據(jù)Mn-MOF (1) 的孔道中嘌呤分子的電荷密度差分等值面顯示，嘌呤分子周圍電荷密度明顯削弱，而孔道框架中Mn-O 簇周圍電荷密度明顯發(fā)生了累積 (圖4C、4D、4E)。這表明在嘌呤分子與Mn-MOF (1) 框架相互作用時(shí)發(fā)生了顯著的電荷重排，這使得電子在嘌呤分子和Mn-MOF (1) 的框架之間傳遞成為可能。▲圖4. Mn-MOF對(duì)嘌呤分子的吸附及主-客體相互作用理論計(jì)算結(jié)果
要點(diǎn)4：利用Mn-MOF (1) 同步識(shí)別N6-mA、G、A作者將該Mn-MOF (1) 材料沉積在玻碳電極表面得到工作電極1@GCE。該工作電極可以同時(shí)識(shí)別N6-mA、G、A三種嘌呤分子，并且三種嘌呤分子在DPV測(cè)試中對(duì)應(yīng)的氧化峰電位順序和電位差為()，這與DFT計(jì)算的“1+嘌呤”體系中，嘌呤分子與1之間結(jié)合能的差值幾乎完全匹配() (圖4C、4D、4E、圖5A)，這表明，可以通過(guò)電化學(xué)方法來(lái)準(zhǔn)確定量的檢測(cè)主-客體之間的相互作用。這也是首次采用電化學(xué)方法對(duì)N6-mA進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。并且該Mn-MOF材料在識(shí)別過(guò)程中展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、循環(huán)性和抗干擾性能。▲圖5. 采用DPV法將Mn-MOF應(yīng)用于同時(shí)定量檢測(cè)三種嘌呤分子
綜上所述，作者通過(guò)設(shè)計(jì)合成具有特定結(jié)構(gòu)的Mn-MOF 材料，并利用其對(duì)不同嘌呤分子吸附后主-客體相互作用的差異，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)電化學(xué)方法對(duì)包括N6-mA在內(nèi)的真核生物DNA中所有已知三種嘌呤分子的同步定量檢測(cè)。這也是首例采用電化學(xué)方法對(duì)N6-mA進(jìn)行檢測(cè)的報(bào)道。通過(guò)同步輻射和理論計(jì)算，作者闡明了其檢測(cè)過(guò)程和相應(yīng)的機(jī)理，這對(duì)于設(shè)計(jì)新型功能性MOF材料具有重要意義。Dameng Gao, Jian-Gong Ma, Qinfen Gu, Peng Cheng, et al. Simultaneous quantitative recognition of all purines including N6-methyladenine via the host-guest interactions on a Mn-MOF. Matter (2021).DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.12.016https://www.sciencedirect.com
