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水在DNA周围形成“水合脊柱”

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水是地球上最丰富的自然资源,但也是由于其独特的溶剂化特征 - 也就是如何溶解在其中。

化学和化学生物学助理教授Poul Petersen说:“生物学是独一无二的,反之亦然。 “这是超级灵活的。它消耗能量和介导相互作用,并且在生物系统中越来越被认可。“

水如何与这些系统相互作用并与之相互作用 - 就像DNA,所有生物的基石一样 - 是至关重要的,彼得森的小组已经使用过一种相对较新的光谱学形式来观察以前未知的水的特征。

美国化学学会杂志“中央科学”杂志发表的“水合DNA的手性脊柱”报告了对生物分子周围的手性水上层结构的首次观察。在这种情况下,水的结构遵循DNA的标志性螺旋结构,其本身是手性的,意味着它不能与其镜像叠加。手性是生物学中的关键因素,因为大多数生物分子和药物都是手性的。

手性非线性光谱揭示了DNA被手性水超结构包围,形成“水合脊柱”的说明。信用:Poul Petersen

Petersen说:“如果你想了解反应性和生物学,那么它不仅仅是水。 “你想了解水的东西,以及它如何与东西​​相互作用。尤其是在生物学方面,你想了解它是如何在生物材料(如蛋白质和DNA)上发挥作用的。“

水在DNA的结构和功能中起着重要的作用,其水化壳一直是研究的主题。分子动力学模拟已经显示了DNA小沟中水结构的广泛范围的行为,螺旋链的骨架靠近在一起的区域。

该小组的工作采用手性和频发生光谱学(SFG)技术Petersen在“物理化学杂志”(Journal of Physical Chemistry)的论文中详细描述。 SFG是非线性光学方法,其中两个光子束(一个红外线和一个可见光)与样品相互作用,产生包含两个束的频率或能量之和的SFG束。在这种情况下,样品是连接到硅涂层棱镜的DNA链。

对梁和计算的更多操纵证明了围绕DNA的手性水上层结构的存在。

手性SFG除了通过生物分子观察手性水结构模板的新颖之外,还提供了一种在生物学中检测水的直接方式。

“我们开发的技术为研究DNA水合作用以及其他超分子手性结构提供了新的途径”,Petersen说。

该小组承认,他们发现的生物学相关性尚不清楚,但彼得森认为,直接检查生物系统中的水及其行为的能力是重要的。他说:“当然,正在设计仿生系统,研究生物学并试图寻找水过滤等应用的化学工程师会关心这一点。 Petersen说,另一种应用是制造更好的防生物污染材料,这种材料能抵抗湿润表面上微生物,藻类等的积累。

来源:康奈尔大学

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