拉曼散射截面增强约1010倍, 加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制, 使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高, 这样就可以用来研究稀释的生物样品。这种技术称为表面增强拉曼光谱( SERS) 技术。表面增强拉曼光谱技术可以在分子水平上研究被散射物质分子的结构信息, 并且能有效地消除荧光干扰, 其短程增强特性在DNA 的复合物拓扑结构研究中有独特优势。
3.1 抗癌药物与DNA 相互作用研究叶勇等用表面增强拉曼光谱技术研究了4 种D-氨基葡萄糖配合物与DNA 的相互作用及其抗癌活性。他们发现这4 种配合物在银胶上的吸附方式基本相同, 但与DNA 的作用能力有很大的不同。CuGluG 与DNA 的结合能力较强, 发生了类似溴化乙啶的插入作用, 其余化合物插入作用较弱。Co 的混配配合物Co( ) GluG 也能与DNA 发生作用, 但并不是插入作用。其中CuGluG、Co( ) GluG 是值得进一步研究的可能的抗癌药物。他们还发现席夫碱类化合物多数具有一定的抗癌活性, 形成金属配合物后抗癌活性更佳。抗癌药物分子多与DNA形成沟槽连接, 化合物2-CACo 则与DNA 发生了插入作用, 而2-CAZn 与DNA 可能发生了键合作用, 作用位点为磷酸氧。喜树碱水溶性衍生物Topotecan( TPT) 是一种针对DNA 拓扑异构酶I ( top1) 的抗肿瘤药物, 能够稳定DNA 和酶的复合物。表面增强拉曼谱显示TPT 对DNA top1 的相互识别具有调控作用,TPT 的存在使DNA 和top1 的结合增加3 到5 倍。溶液中TPT 二聚物能够把不同的DNA 分子或同一分子的不同区域结合起来, 这种效应促进了对DNA 结构的修饰, 导致top1 新结合位点的出现。 3.2 药物等小分子与DNA 的作用研究从分子水平上研究药物等小分子和DNA 的相互作用, 有助于阐明分子对核酸的复制和转录的影响及相互作用机制, 对于理解疾病的起源、中药的治病机理、药物筛选和设计新药具有重要意义。王树玲等用表面增强拉曼光谱研究了小檗碱( BER) 与小牛胸腺DNA 的相互作用, 发现小檗碱分子的异喹啉部分可能键合到DNA 的小沟槽, 小檗碱与DNA 的相互作用模式主要是通过静电力及疏水相互作用而形成的沟槽键合。董丽琴等研究钴邻菲口罗啉配合物离子[ Co( phen) 3]2+ / 3+ 与DNA 的相互作用时,发现药物与双链DNA 存在一定的嵌插作用, 而与单链DNA 则以静电模式结合。他们的研究成果为寻找抗肿瘤和抗病毒药物研究提供了理论和物质基础。
3.3 基因芯片相关DNA 研究随着人类基因组计划的顺利实施, 基因芯片研究正成为基因组研究的一个热点。DNA 在基体上的固定化和杂交效率的提高以及杂交信号的检测是基因芯片技术进一步完善的关键, 而从分子水平上了解DNA 在金属/ 溶液界面的吸附取向则是基因芯片研究的基础。杨海峰等利用原位表面增强拉曼光谱电化学
技术研究了DNA 理论水解产物之一腺苷在银电极上吸附行为, 发现腺苷的腺嘌呤部分在电极上是平躺构型。生物分子5-腺苷磷酸( AMP)和DNA 在银溶胶中的增强拉曼光谱显示AMP 在银溶胶中可能是腺嘌呤吸附在胶粒界面上, 而在DNA分子中则是处于外部的核糖或磷酸基与银溶胶中的胶粒发生了吸附。A. Murza 等用荧光光谱和表面增强拉曼谱研究了药物9-氨基吖啶( 9AA) 和DNA及右旋糖苷硫酸盐的相互作用。他们发现9AA 与磷酸盐的静电相互作用对复合物的形成至关重要,磷酸盐基团所带负电荷诱导药物接近DNA 链, 使得聚合物附近的药物浓度增加, 从而增强反应效果。但复合物中DNA 仍然保持B 型结构。复合物荧光发射则可能是由药物和DNA 序列之间的电荷转移引起的。
4傅立叶变换拉曼光谱分析( Fourier TransformRaman
Spectroscopy) 传统拉曼光谱技术信号弱, 灵敏度低, 且易受荧光干扰, 应用范围受到限制。傅立叶变换拉曼光谱采用傅立叶变换技术对信号进行收集, 多次累加来提高信噪比, 并用1064 mm 的近红外激光照射样品,大大减弱了荧光背景。因此, 傅立叶变换拉曼光谱技术在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面已经显示出了巨大的生命力。傅立叶变换拉曼光谱对DNA 的研究主要集中在DNA 结构、DNA 的吸附、射线诱变及药物与DNA 的相互作用等方面。方晔等用傅立叶变换拉曼光谱研究溶液状态下三链DNA
dA102dT10与双链DNA dA10dT10的构像时发现: 三螺旋DNA 同时存在C3-内褶/ 反对称( A-型) 和C2-内褶/ 反对称( B-型) 两种构像, 同时还存在一种处于A 和B 构型之间的中间构型; 双螺旋DNA 在溶液中则以A 和B 两种构型共存。Sailer等研究了电离辐射诱导的水溶液中双链DNA 的结构变化。他们发现除了碱基损伤、链的断裂和结构变换以外, 还存在碱基的解堆积、预熔化效应和B型骨架的无序化。DNA 的损伤取决于射线的剂量和DNA 的浓度, 其中DNA 的B 型构像减少并且有新的二级结构出现。阿司匹林在止痛和治疗心脏病上有特定功效。Neault 等用傅立叶变换红外拉曼谱研究阿司匹林与DNA 的相互作用, 并以之来确定药物的结合位点、序列偏好、DNA 的二级结构以及水溶液中复合物的结构变化。实验发现药物能使DNA 从B 型构像向A 型构像转变。C60 具有显著的光动力学作用, 其衍生物可以有效抑制爱滋病毒蛋白酶和逆转录酶的活性。严庆丰等采用傅里叶变换拉曼光谱术研究富勒烯C60 对小牛胸腺DNA 的光动力学作用时发现, 光激发C60 对DNA 各组分基团均有不同程度的损伤, 其中DNA 的空间构像破坏显著, 腺嘌呤次之, 骨架磷酸基团、脱氧核糖、嘧啶环等也遭到破坏并导致DNA 链断裂。这种损伤并非由于C60 与DNA 分子之间直接的电子相互作用, 而是通过单线态氧或OH、
O-2 等自由基作用所致。生理pH 值条件下二乙荃乙烯雌酚( DES)和小牛胸腺DNA 相互作用时, 如果是低药物浓度,富含A-T 区是插入的主要位点, 如果药物浓度较高,则与G-C 碱基对发生外部的沟槽连接并且有部分的螺旋损伤。药物的插入作用导致了部分B 型DNA 构型转变成A 型DNA 。
5 结束语本文对拉曼光谱技术近年来在生物大分子DNA 中的研究做了一个大概的回顾, 发现拉曼光谱技术所得的结果能与X 射线晶体衍射分析、核磁共振、电子吸收光谱等很好地符合, 而且有其独特的优势。而新兴起的拉曼光谱技术如时间分辨拉曼光谱技术、偏振拉曼光谱技术、共焦显微拉曼技术 等正蓬勃发展, 将在新的起点上成为生物分子研究的有力工具。我们相信随着激光技术和检测技术的发展和新的拉曼光谱技术和方法的提出, 激光拉曼光谱技术必将得到更广泛的应用, 促使对DNA等生物分子的研究不断深入。
