[论文解读] Binding Group of Oligonucleotides on TiO 2 Surfaces: Phosphate Anions or Nucleobases?

F. Soria, Cristiana Di Valentin|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 59被引用 17

一句话总结

本研究采用发散校正的杂化DFT（B3LYP-D*）方法，研究了寡脱氧核苷酸在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附行为，结果表明磷酸根阴离子与碱基协同作用，将核苷酸锚定在表面。含鸟嘌呤的核苷酸吸附能最强（最高达−3.37 eV），而水分子竞争性分析显示核苷酸的吸附能强于水分子，表明其在水相环境中具有稳定性。

ABSTRACT

Although the immobilization of oligonucleotides (nucleic acid) on mineral surfaces is at the basis of different biotechnological applications, an atomistic understanding of the interaction of the nucleic acid components with the titanium dioxide surfaces has not yet been achieved. Here, the adsorption of the phosphate anion, of the four DNA bases (adenine, guanine, thymine, and cytosine) and of some entire nucleotides and dinucleotides on the TiO 2 anatase (101) surface is studied through dispersion-corrected hybrid density functional theory (DFT) calculations. Several adsorption configurations are identified for the separated entities (phosphate anion or base) and then considered when studying the adsorption of the entire nucleotides. The analysis shows that both the phosphate anion and each base may anchor the nucleotides to the surface in a collaborative and synergistic adsorption mode. The tendency is that the nucleotides containing the guanine base present the strongest adsorption while those made up with the thymine base have the lowest adsorption energies. Nucleotides based on adenine and cytosine have a similar intermediate behavior. Finally, we investigated the adsorption of competing water molecules to understand whether in the presence of the aqueous solvent, the nucleotides would remain bonded to the surface or desorb.

研究动机与目标

• 确定寡脱氧核苷酸在锐钛矿型TiO2(101)表面的原子尺度吸附机制。
• 阐明在核苷酸吸附过程中，磷酸根阴离子与碱基中哪一个为主要锚定位点。
• 通过比较核苷酸与水分子的吸附能，评估吸附核苷酸在水相环境中的稳定性。
• 评估碱基种类（A、G、C、T）对吸附能与吸附构型的影响。

提出的方法

• 采用含发散校正的杂化DFT（B3LYP-D*）方法，使用高斯型轨道在CRYSTAL14中进行几何优化与能量计算。
• 采用2×4或2×6的锐钛矿型TiO2(101)超胞模型，包含三层三原子层，并固定底层。
• 将吸附能定义为 Eads = (Eslab+nmol − Eslab − nEmol)/nmol，以量化结合强度。
• 系统研究了孤立磷酸根阴离子、碱基、核苷酸及二核苷酸在Ti5c位点上的吸附构型。
• 计算了在0.25和1.0单层覆盖度下水分子的吸附能，用于竞争稳定性评估。
• 吸附后分析HOMO-LUMO能隙变化，以评估电子结构的改变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TiO2(101)表面，磷酸根阴离子还是碱基是核苷酸的主要锚定位点？
• RQ2 碱基种类（A、G、C、T）如何影响核苷酸的吸附能与吸附构型？
• RQ3 核苷酸能否在水相环境中保持吸附状态，还是会被水分子竞争性脱附？
• RQ4 磷酸基团与碱基在表面协同吸附的机制本质是什么？
• RQ5 核苷酸吸附后，TiO2的光学性质如何变化？

主要发现

• 磷酸根阴离子以双齿构型吸附最稳定（−2.01 eV），最稳定的单齿构型为−1.02 eV。
• 含鸟嘌呤的核苷酸（dGMP）吸附能最强，达−3.37 eV，其次为腺嘌呤（−2.61 eV）、胞嘧啶（−2.62 eV）和胸腺嘧啶（−2.04 eV）。
• 核苷酸的吸附通过协同机制实现，磷酸基团与碱基同时与Ti5c位点结合，其吸附能接近各组分单独吸附能之和。
• 水分子在低覆盖度（0.25单层）和高覆盖度（1.0单层）下的吸附能分别为−0.95 eV和−0.90 eV/分子，表明其结合能弱于大多数核苷酸。
• 对于呈DOWN构型的二核苷酸，每Ti5c位点的吸附能范围为−1.15至−1.36 eV，均高于水的−0.90 eV，表明其具有抗脱附能力。
• 吸附二核苷酸后，TiO2的HOMO-LUMO能隙范围为2.19至2.87 eV，相较于原始TiO2的带隙（4.26 eV）发生显著红移。