马建功/顾勤奋/程鹏:利用Mn-MOF孔道特性精准识别三种嘌呤

原创研之成理研之成理

▲第一作者：高大猛

通讯作者：马建功、顾勤奋、程鹏

通讯单位：南开大学、ANSTO–墨尔本

研究亮点

1. 利用Mn-MOF无需后修饰实现对N6-mA在内的三种嘌呤碱基的同步定量识别。

2. 首次实现真核生物DNA中所有三种已知嘌呤碱基的电化学识别。

3. 利用同步辐射和DFT计算展现了Mn-MOF与嘌呤分子之间的主客体相互作用。

MOFs应用于N6-mA 检测的潜力与优势

嘌呤是DNA的基本组成部分，因此对其的识别和区分是基因工程、分子生物学和生命进化研究的重要方向之一。传统的研究认为真核生物DNA中只存在腺嘌呤 (A) 和鸟嘌呤 (G) 两种嘌呤碱基，而最近的研究成果中却发现N6-甲基腺嘌呤 (N6-mA) 可能是第三种存在于真核生物DNA中嘌呤碱基，因此对其检测识别具有非常重要的意义。目前能用来检测N6-mA的手段主要包括：N6-mA甲基化DNA免疫沉淀测序 (MeDIP-seq)、单分子实时测序 (SMRT)、超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用多反应监测 (UHPLC-MRM-MS/MS) 分析等。这些方法都存在成本高、需要繁琐的预处理步骤以及对操作要求高等问题，限制了它们在常规研究中的使用。因此，亟需一种新型的低成本省时的方法来识别检测N6-mA。

金属有机框架材料（MOFs）是一类多孔络合物，在环境修复、储存、分离、生物、催化、离子和分子识别等领域都有非常广泛的应用。由于MOFs本身具有孔道构造尺寸可控，比表面积大，可引入不同功能的取代基等优点，因此能够实现对特定物质的主动捕获与相互作用，这种主体-客体之间的相互作用可以被一些快捷检测手段（例如光致发光和电化学）捕捉到，从而实现对待测物的检测。另外，高分辨同步辐射技术的应用可以深入探究MOF孔道与客体分子之间相互作用的机理。

成果简介

近日，南开大学马建功教授、程鹏教授课题组设计合成了一种新型Mn-MOF材料，利用该Mn-MOF与嘌呤分子之间的主-客体相互作用的差异实现了同时定量识别包括N6-mA在内的真核生物DNA中所有三种已知嘌呤碱基分子。通过与澳大利亚ANSTO同步辐射专家顾勤奋教授合作，利用同步辐射技术和DFT计算深入研究了MOF孔道与客体分子之间相互作用的机理。

▲图1. 新型Mn-MOF材料同步识别三种嘌呤分子及其作用机理

要点1：设计合成具有特定结构的Mn-MOF (1) 材料

在该工作中，作者成功合成了一种结构新颖的Mn-MOF (1)材料，该Mn-MOF具有三种不同类型的次级结构单元 (图2B、2C、2D) ，不同的次级结构单元之间通过配体连接最终形成三维框架结构，该框架包含三种不同孔径尺寸的一维孔道，其沿a轴方向的孔道直径分别为5.0×7.3、6.8×8.6和12.5×12.9 Å (图2E)。独特的三维框架结构和较大的孔径使得该Mn-MOF能够主动捕获腺嘌呤(A)、鸟嘌呤 (G)和N6-甲基腺嘌呤 (N6-mA)进入孔道并产生主-客体相互作用。

▲图2. Mn-MOF (1) 的晶体结构

要点2. 通过同步辐射研究Mn-MOF (1)与嘌呤分子之间的主-客体相互作用

为了研究Mn-MOF (1) 与其孔道内嘌呤分子A、G和N6-mA的主-客体之间的相互作用，作者分别将等量的1浸泡在A、G或N6-mA溶液中，得到了相应的“1+嘌呤”体系，并通过高分辨率同步辐射 PXRD对得到的体系分别进行检测。如图3所示，进行浸泡吸附后1 的峰并没有发生明显位置变化，证明1可以在嘌呤溶液环境中保持稳定。将同步辐射PXRD数据还原计算，得到了1在吸附前后晶胞参数的变化。根据还原所得数据可知，在进行吸附实验后1的晶胞体积均发生了轻微的膨胀，证明1的孔道结构对嘌呤分子的成功捕获及其相互作用。

▲图3. Mn-MOF (1) 吸附嘌呤分子前后高分辨同步辐射PXRD谱图与相应结构

要点3. DFT理论计算探究相互作用机理

为了进一步研究对比Mn-MOF (1) 与三种已知嘌呤之间的存在的主-客体相互作用，作者进行了密度泛函理论计算(DFT)。计算结果显示，Mn-MOF (1) 的晶体框架中a轴方向最大的孔(12.5×12.9 Å)可以吸附容纳N6-mA、A、G 三种嘌呤(图4A、4B)。计算Mn-MOF (1)与嘌呤分子之间的结合能可知，在三种嘌呤分子中，G的结合能最强(-0.3678 eV)，A的结合能最弱(-0.1256 eV)，N6-mA处于中间(-0.1726 eV) (图4C、4D、4E)。三种嘌呤分子与Mn-MOF (1) 的框架结构之间的主-客体相互作用存在明显的差异，这也为Mn-MOF (1) 能对三种嘌呤分子分别进行识别检测提供了理论支持。根据Mn-MOF (1) 的孔道中嘌呤分子的电荷密度差分等值面显示，嘌呤分子周围电荷密度明显削弱，而孔道框架中Mn-O 簇周围电荷密度明显发生了累积 (图4C、4D、4E)。这表明在嘌呤分子与Mn-MOF (1) 框架相互作用时发生了显著的电荷重排，这使得电子在嘌呤分子和Mn-MOF (1) 的框架之间传递成为可能。

▲图4. Mn-MOF对嘌呤分子的吸附及主-客体相互作用理论计算结果

要点4：利用Mn-MOF (1) 同步识别N6-mA、G、A

作者将该Mn-MOF (1) 材料沉积在玻碳电极表面得到工作电极1@GCE。该工作电极可以同时识别N6-mA、G、A三种嘌呤分子，并且三种嘌呤分子在DPV测试中对应的氧化峰电位顺序和电位差为()，这与DFT计算的“1+嘌呤”体系中，嘌呤分子与1之间结合能的差值几乎完全匹配() (图4C、4D、4E、图5A)，这表明，可以通过电化学方法来准确定量的检测主-客体之间的相互作用。这也是首次采用电化学方法对N6-mA进行识别检测。并且该Mn-MOF材料在识别过程中展现了优异的稳定性、重现性、循环性和抗干扰性能。

▲图5. 采用DPV法将Mn-MOF应用于同时定量检测三种嘌呤分子

小结

综上所述，作者通过设计合成具有特定结构的Mn-MOF 材料，并利用其对不同嘌呤分子吸附后主-客体相互作用的差异，实现了通过电化学方法对包括N6-mA在内的真核生物DNA中所有已知三种嘌呤分子的同步定量检测。这也是首例采用电化学方法对N6-mA进行检测的报道。通过同步辐射和理论计算，作者阐明了其检测过程和相应的机理，这对于设计新型功能性MOF材料具有重要意义。

参考文献

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.2020.12.016

https://www.sciencedirect.com

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