单双链DNA寡聚体中黄素-鸟嘌呤长寿命自由基对的直接观测及其生物磁感应机制研究

本研究通过时间分辨电子顺磁共振（TREPR）光谱技术，首次在黄素修饰的单双链DNA寡聚体中直接观测到微秒级长寿命的自旋相关自由基对（[Fl•-...G•+]），揭示了不同于隐花色素蛋白的三态前驱体反应路径。该发现为理解DNA电荷转移机制及生物磁感应提供了新视角，对开发磁场响应型生物材料具有重要启示。

　　

自然界中许多生物能够感知微弱的地磁场（约50μT），这种能力被认为与隐花色素蛋白中光诱导产生的自旋相关自由基对（SCRP）有关。然而，DNA作为遗传物质载体，其电荷转移机制与蛋白质存在显著差异——蛋白质中电子转移（ET）通过多步量子隧穿进行，而DNA则可能通过单步隧穿、鸟嘌呤（G）跳跃或极化子传输等多种机制实现。这种差异引发了关键科学问题：DNA能否像蛋白质一样形成长寿命SCRP？这种机制是否参与生物磁感应？

日本分子科学研究所（Institute for Molecular Science, Japan）的Yoshimi Oka团队设计了一系列黄素（Fl）修饰的DNA寡聚体（见表1），通过时间分辨电子顺磁共振（TREPR）和瞬态吸收（TA）光谱，首次在单双链DNA中观测到寿命达4.3-13.6微秒的[Fl^•-...G^•+]自由基对。研究发现，与隐花色素中通过单态前驱体生成SCRP不同，DNA体系中自由基对主要来源于黄素三重态，且在28 mT磁场下表现出高达65%的磁场效应（MFE），这比已报道的隐花色素效应强3-6倍。该成果发表于《Communications Chemistry》，为生物磁感应机制提供了全新分子模型，并可能解释光解酶修复DNA损伤过程中的磁场敏感性。

研究采用三大关键技术：1）黄素修饰的DNA寡聚体化学合成（通过氨基修饰剂连接C3/C6 linker）；2）时间分辨电子顺磁共振（TREPR）检测自由基对动态（X波段，5°C）；3）瞬态吸收光谱（TA）结合磁场效应分析（532 nm探测光，28 mT扫描）。所有样本在10 mM磷酸缓冲液（pH 7.0）中制备，浓度统一为50μM。

设计合成与热稳定性验证
通过差示扫描量热法（DSC）证实，四重G→I替换使DNA熔解温度（T_m）降低11.9 K，但所有寡聚体在实验温度（5°C）下保持稳定结构。荧光淬灭实验显示，鸟嘌呤（G）的电子供给能力显著强于腺嘌呤（A），而互补链引入色氨酸类似物吲哚（Indole）后淬灭效率达91%，印证其更低氧化电位（0.78 V vs SCE）。

自由基对的直接观测
TREPR谱图（图2a）显示ss-Fl-DNA(G4)在1.5μs时出现E/A极化模式（g=2.0035），模拟计算证实其为[Fl^•-...G^•+]自由基对。关键对照实验表明：1）G(3)位点是电子转移必需位点（ss-Fl-DNA(I1G3)无信号，图2b）；2）G多聚体非必需（ss-Fl-DNA(G1I3)仍可形成自由基对，图3a）；3）低温（-123°C）冻结ET过程（图3b），提示液相中扩散控制机制。

双链结构与抑制效应
ds-Fl-DNA(G4)/N-DNA中自由基对寿命延长至13.6μs（图4a），对应 donor-acceptor距离约21?。通过点偶极近似计算，偶极耦合D_RP为-0.48 mT。而互补链引入吲哚（ds-Fl-DNA(G4)/Ind-DNA）完全抑制自由基对生成（图4c），证实低电位电子供体的竞争机制。

三重态前驱体与磁场效应
TA光谱（图5）揭示ss-Fl-DNA(G4)的慢衰减组分（0.2-1μs）存在显著正MFE，谱宽达12 mT（半峰宽），表明三重态前驱体通过自旋弛豫主导自由基对生成。该效应在G→I替换样本（ss-Fl-DNA(I4)）中消失，验证了G的特异性作用。

这项研究突破性地证实：1）DNA可通过不同于蛋白质的三重态路径形成长寿命SCRP；2）黄素-鸟嘌呤自由基对在室温下具有显著磁场敏感性；3）DNA构象（如单/双链、G排列）可调控自由基对寿命。这些发现不仅拓展了生物磁感应机制的认识，还为开发基于DNA的磁场响应材料（如靶向药物递送系统）提供了理论依据。未来研究可进一步探索DNA构象-磁场敏感性关联，以及该机制在光解酶修复UV损伤DNA中的作用。