二硝基-邻甲酚除草剂与DNA大沟结合机制的阐明：采用伏安法、光谱学及计算建模等多种方法的研究

《Results in Chemistry》：The elucidation of major groove binding of Dinitro- ortho-cresol herbicide to DNA: a multi-approach of voltammetric, spectroscopic, and computational modeling methods

该研究通过光谱学、伏安法和计算模拟，探讨了DNOC与DNA的相互作用机制。光谱分析显示DNOC与DNA形成复合物，结合常数为3.58×103，扩散系数降低表明结合稳定。FT-IR和荧光光谱证实DNOC通过主要沟槽与鸟嘌呤和胞嘧啶结合，而非插入。分子对接和动力学模拟进一步验证了该结合模式，并计算了结合自由能。

　　本研究探讨了二硝基邻甲苯（DNOC）这类除草剂与牛胸腺脱氧核糖核酸（Ct-DNA）之间的结合特性。通过光谱学、伏安法、分子对接和分子动力学模拟等多种实验与计算方法，研究人员揭示了DNOC与DNA相互作用的机理。研究发现，DNOC在与DNA结合时，其分子结构会发生显著变化，从而影响DNA的物理和化学性质。这些变化不仅提供了关于DNOC与DNA结合方式的线索，还为评估其潜在的致突变性和致癌性提供了依据。

DNOC是一种广泛应用于农业领域的农药，包括除草剂、杀虫剂和杀菌剂等。由于其在环境中可能长期残留，并且具有一定的毒性，因此研究其对生物大分子如DNA的影响具有重要意义。通过实验分析，研究团队发现DNOC与DNA的结合具有一定的特异性，主要倾向于与鸟嘌呤和胞嘧啶结合，而不是腺嘌呤和胸腺嘧啶。这一发现对于理解DNOC如何影响DNA的结构以及可能引发的基因突变和癌症风险具有关键作用。

研究中采用了多种技术手段，如紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、竞争性荧光实验和伏安法等。在紫外-可见光谱实验中，研究人员观察到随着DNA浓度的增加，DNOC的吸收光谱发生改变，表现为吸收强度的增加和最大吸收波长的红移。这些变化表明，DNOC与DNA结合后，其π-π*跃迁特性被改变，从而影响其在溶液中的行为。通过非线性拟合实验数据，研究人员计算出DNOC与DNA的结合常数和结合位点大小，分别为3.58 × 10^3和0.85。这些数值反映了DNOC与DNA结合的紧密程度和结合区域的大小。

在竞争性荧光实验中，研究人员利用溴化乙锭（EB）作为DNA结合的指示剂，研究DNOC是否能够与EB竞争结合DNA。实验结果表明，DNOC对EB-DNA复合物的荧光强度没有明显影响，这表明DNOC并不通过插入DNA碱基之间的方式与DNA结合，而是更倾向于通过沟槽结合。这一结论与紫外-可见光谱和FT-IR实验结果一致，进一步支持了DNOC主要与DNA的主沟槽结合的假设。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析提供了关于DNOC与DNA相互作用的分子层面信息。研究团队观察到，DNOC的加入会导致DNA中某些功能基团的振动峰发生偏移，特别是在鸟嘌呤和胞嘧啶的C=O基团处，其吸收峰向更高波数移动。这表明DNOC与DNA的结合改变了这些基团的化学环境，从而影响其振动特性。此外，DNOC的加入还导致DNA的磷酸基团和脱氧核糖基团的振动峰发生变化，进一步支持了DNOC通过沟槽与DNA结合的观点。

在伏安法实验中，研究人员利用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）来研究DNOC与DNA的相互作用。实验结果显示，DNOC在没有DNA的情况下表现出两个不可逆的阴极峰，分别出现在-0.48 V和-0.76 V的电位。这些峰与DNOC中硝基（-NO?）被还原为羟胺（-NHOH）的过程有关。当加入DNA后，这些阴极峰的电流显著降低，且峰电位向更负的方向移动，表明DNOC与DNA的结合影响了其在电极表面的扩散行为和电化学反应速率。此外，研究人员通过非线性回归分析计算出DNOC与DNA的结合常数和结合位点大小，进一步验证了其结合特性。

分子对接和分子动力学（MD）模拟研究则提供了关于DNOC与DNA结合模式的理论支持。分子对接结果显示，DNOC更倾向于与DNA的主沟槽结合，并与胞嘧啶和鸟嘌呤形成多个氢键。这种结合模式与实验结果一致，表明DNOC的结合方式不同于经典的DNA插入剂。MD模拟进一步验证了DNOC与DNA结合的稳定性，通过计算结合能（15.21 ± 5.08 kcal/mol和-14.19 ± 4.64 kcal/mol），研究团队确认了DNOC与DNA结合的强亲和力。此外，模拟结果还显示，在30纳秒的模拟过程中，DNOC与DNA的结合保持稳定，进一步支持了其通过主沟槽结合DNA的假设。

通过综合实验和理论分析，本研究揭示了DNOC与DNA结合的多种特征。首先，DNOC在与DNA结合后，其分子结构发生变化，导致其吸收光谱和荧光特性发生改变。其次，DNOC更倾向于与DNA的主沟槽结合，而不是与碱基直接结合，这可能与其分子结构和电荷分布有关。最后，分子对接和MD模拟提供了结合能和结合模式的详细信息，进一步支持了实验数据。这些发现不仅有助于理解DNOC对DNA的潜在影响，还为评估其环境和健康风险提供了重要依据。

研究团队指出，DNOC作为除草剂，其在农业中的广泛应用可能带来一定的环境和健康风险。由于其具有一定的毒性，DNOC可能通过与DNA的结合，干扰正常的DNA复制和转录过程，进而导致基因突变和癌症风险的增加。因此，了解DNOC与DNA的相互作用对于制定有效的环境管理和健康防护措施具有重要意义。此外，本研究还强调了使用高通量光谱和伏安技术对农药与DNA相互作用进行快速评估的必要性，这些技术能够提供关于分子结合模式和机制的详细信息，从而帮助科学家更好地理解农药对生物大分子的影响。

综上所述，本研究通过多种实验和计算方法，系统地分析了DNOC与DNA的结合特性。研究结果表明，DNOC主要通过主沟槽与DNA结合，并与鸟嘌呤和胞嘧啶形成较强的相互作用。这些发现不仅有助于揭示DNOC的分子作用机制，还为评估其潜在的致突变性和致癌性提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨DNOC与其他生物大分子的相互作用，以及其在环境中的长期影响，从而为农药的安全使用和环境治理提供更全面的支持。