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ACS Nano:看金属镍如何诱导碱基互变异构!

本课题首先通过实空间表征,发现Ni原子的引入会导致T分子在Au(111)表面发生酮-烯醇式互变异构并进一步发生脱氢反应。DFT理论计算表明,该互变异构脱氢现象发生的关键在于Ni原子的引入大大降低了T分子的酮-烯醇互变异构的势垒。

ACS Nano:看金属镍如何诱导碱基互变异构!

第一作者:孔惠慧

通讯作者:许维 教授

DOI: 10.1021/acsnano.8b02821

背景:

互变异构,尤其是酮-烯醇互变异构,是DNA碱基中最为经典的互变异构形式。该互变异构会导致碱基错配从而扰乱基因复制和表达,其诱因以及反应机制最近受到广泛关注。近年来,人们已经通过理论计算以及谱学方法发现金属原子会改变DNA碱基不同互变异构体的稳定性从而诱导DNA碱基生成某种特定的互变异构体。日前,本课题组也在实空间观测到不同金属对DNA碱基鸟嘌呤(G)互变异构行为的抑制(J. Am. Chem. Soc. 137, 11795-11800, 2015; ACS Nano 8, 1804-1808, 2014)。然而,之前多数研究聚焦于如何形成DNA碱基最稳定的典型形式,金属诱导的碱基酮-烯醇互变异构的实空间表征及其反应机理的研究仍是目前研究的热点。

体系的选择:

DNA碱基之一,胸腺嘧啶(T)分子中含有酮基,以及可以提供氢原子的亚氨基(参照图1上),因此T分子为我们提供了一个理想的研究DNA碱基的酮-烯醇转变的模型体系。由于镍原子(Ni)更倾向与氮原子配位,能够驱使氢原子从亚氨基向酮基团转移来促进酮-烯醇转变,该模型体系中我们选择Ni原子来诱导酮-烯醇的互变异构。同时,我们选择Au(111)作为基底,Au(111)表面相对惰性,而且基本没有可以参与配位的本征吸附原子,这样我们可以排除本征吸附原子对T分子的互变异构的影响,这便于我们在Au(111)表面直接研究金属Ni对于T分子互变异构的影响。

ACS Nano:看金属镍如何诱导碱基互变异构!

Figure 1.Upper panel: Schematic illustration on the chemical structure of the canonical keto form T/3 NH, the most stable non-canonical enol form T/4 OH, and dehydrogenated enol form T/4 O, and schematic illustration on the hydrogen-bonded T dimer and the metal-organic T dimer. Middle panel: Close-up STM images and the corresponding STM simulations superimposed with optimized models of hydrogen-bonded and metal-organic T dimers. Lower panel: The corresponding top and side views of the optimized models on Au(111). C, gray; N, blue; O, red; H, white; Ni, indigo blue; Au, yellow (1st-layer) or brown (2nd-layer). Tunneling parameters for the left and right STM image in the middle part are: V=1.25 V, I=0.47 nA and V=1.23 V, I=0.79 nA. The bias for STM simulation is 1.2 V.

 

实空间表征:

为了在实空间研究T分子的互变异构行为,我们首先借助于超高真空扫描隧道显微镜对T分子在Au(111)的实空间图像进行原位表征。将T分子沉积在Au(111)表面后形成了氢键二聚体(图1左中),DFT优化模型(图1左下)表明该氢键链中T分子以其经典形式T/(3 NH)出现,该氢键二聚体保持不变,直至分子全部脱附。因此,在引入Ni原子之前T分子保持其经典形式,并未发生任何形式的互变异构。

在覆有T分子的Au(111)表面引入Ni原子并对样品进行热处理后,原来的氢键二聚体转变成为金属有机二聚体,其吸附构型及表征高度均与之前的氢键二聚体不同(图1右中)。有趣的是,通过理论计算我们发现该金属有机二聚体中的T分子已经发生了互变异构,由其典型形式T/(3 NH)变为了其烯醇脱氢形式T/(4 O),即Ni原子诱导T分子发生了酮-烯醇互变异构脱氢行为。

理论验证:

为了揭示Ni原子诱导T分子酮-烯醇互变异构及其脱氢过程的潜在机制机理,我们借助于密度泛函理论(DFT)计算来探讨可能的反应路径。通过一系列的过渡态搜寻,我们发现Ni原子的引入大大降低了T分子的酮-烯醇互变异构及其进一步脱氢的势垒(如图2),这是Ni原子诱导T分子发生酮-烯醇互变异构的关键。

ACS Nano:看金属镍如何诱导碱基互变异构!

Figure 2. DFT calculated reaction pathways for the tautomerization process from keto T/3 NH to enol T/4 OH without and with the Ni atom on Au(111). DFT calculated pathways without Ni, with Ni coordinating with O4 as the initial state, and with Ni coordinating with O2 as the initial state are indicated by green, blue and red lines in the right part, respectively, the corresponding models are shown in the left part. Relative energies of the local minima (Initial state (IS), Final state (FS)) and the transition states (TS) along the reaction path are given with respect to the IS.

结论:

本课题首先通过实空间表征,发现Ni原子的引入会导致T分子在Au(111)表面发生酮-烯醇式互变异构并进一步发生脱氢反应。DFT理论计算表明,该互变异构脱氢现象发生的关键在于Ni原子的引入大大降低了T分子的酮-烯醇互变异构的势垒。该研究利用表面科学方法建立生物相关模型体系,在超高真空环境可控引入金属Ni,并通过高分辨扫描隧道显微镜结合密度泛函理论计算从实空间揭示了金属诱导的酮-烯醇互变异构的机制机理,该研究对进一步从分子水平理解金属诱导的生物相关过程有着重要的科学意义。

后续工作:

该DNA碱基的酮-烯醇互变异构是在超高真空环境下实现的,与真实的生物体系相比相对简单,这有利于我们单独研究某个因素对于DNA碱基的酮-烯醇互变异构的影响。在后续的工作中,我们拟进一步引入其他的影响因素(比如H2O等),从而模拟真实生物体系中金属原子对于DNA碱基互变异构的影响。

课题组介绍:

许维,男,同济大学教授,无党派人士,理学博士,上海“千人计划”特聘专家,国家优秀青年科学基金获得者。主要从事利用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)高分辨成像及单分子操纵技术并结合密度泛函理论(DFT)计算研究固体表面相关的物理化学课题。在表面分子自组装、表面原位化学反应、单分子操纵等相关方面进行了系统和深入的探索,取得了多项创新性成果。自2010年独立工作后已在本领域发表学术论文50篇,包括JACS, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Mater.等影响因子大于10的20篇。论文共计被引用>1920次。H-index 25。

课题组主页:https://xuweilab.tongji.edu.cn/

 

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b02821

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