pH依赖的DNA-TiO2表面相互作用诱导结构转变及其对环境DNA稳定性的影响机制研究

本研究揭示了环境DNA(eDNA)与二氧化钛(TiO2)颗粒表面的pH依赖性相互作用机制。通过振动光谱技术，研究人员发现鲱鱼睾丸DNA在pH 6.5-8吸附时保持B型结构，而在pH 3-5则转变为易解链的Z型构象。该发现为理解矿物表面对eDNA结构稳定性的调控提供了分子层面证据，对eDNA生物监测准确性评估和遗传信息环境循环研究具有重要意义。

　　

在环境监测和生物多样性研究中，环境DNA(eDNA)技术已成为革命性工具，但其在自然界的稳定性机制仍存在重大知识空白。矿物表面作为eDNA在土壤和水体中的主要载体，既能保护DNA免遭降解，也可能通过界面相互作用改变其结构特性。这种"双刃剑"效应使得理解DNA-矿物表面相互作用的分子机制成为当前研究的关键挑战。

美国加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的Eshani Hettiarachchi和Vicki H. Grassian团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究，首次系统揭示了TiO₂颗粒表面诱导DNA构象转变的pH依赖性规律。研究采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)作为主要技术手段，结合紫外-可见光谱(UV-vis)定量分析，通过控制pH(3-8)和离子强度变量，追踪了鲱鱼睾丸DNA在TiO₂表面的吸附动力学和结构变化。研究还利用圆二色谱(CD)验证溶液相DNA构象，并通过干湿循环实验评估吸附DNA的稳定性。

pH依赖的表面覆盖度与电荷特性
通过平衡吸附实验发现，TiO₂在pH 3-8范围内对DNA的吸附容量保持稳定(27-30 mg/g)，表明pH对吸附量的影响有限。zeta电位测定显示TiO₂的等电点(pzc)为5.4，这为理解后续构象变化提供了表面电荷背景。

溶液相DNA的振动光谱特征库建立
研究团队首先建立了B型、Z型和单链DNA(ssDNA)的标准ATR-FTIR光谱数据库。B型DNA的特征峰包括磷酸基团不对称伸缩振动(1,223 cm^-1)和糖环振动(970 cm^-1)，而Z型DNA则表现出1,125 cm^-1的特征肩峰和925 cm^-1的糖-磷酸骨架振动标记。ssDNA在1,580 cm^-1(鸟嘌呤C=N振动)和1,659 cm^-1(胞嘧啶C=O振动)处呈现显著增强的碱基振动峰。

中性pH下的B型DNA稳定吸附
在pH 6.5和8条件下，吸附态DNA完整保留了B型构象的特征光谱，仅氮碱基区域(1,500-1,750 cm^-1)出现微小偏移，表明表面相互作用主要影响碱基微环境。脱附实验显示<10%的DNA被洗脱，证实了吸附的稳定性。干湿循环实验进一步证明吸附态B型DNA能耐受脱水应激。

酸性pH诱导的B-Z构象转变
pH 3和5条件下出现了突破性发现：虽然溶液相DNA保持B型，但吸附后却转变为Z型构象。在pH 3时，质子化的腺嘌呤(A)环与表面OH基团形成氢键，促使DNA解旋并重排为左旋Z型。而在pH 5(近pzc条件)，光谱显示存在明显的ssDNA中间体(1,580 cm^-1峰)，经过8分钟诱导期后逐渐重组为Z型结构。这种转变归因于表面OH基团创造的高局部离子强度环境，模拟了体内Z型DNA稳定所需的高盐条件。

构象可逆性与环境意义
最引人注目的是，当吸附的Z型DNA暴露于pH 8缓冲液时，会迅速解离为ssDNA，而溶液相Z型DNA在该条件下却能保持稳定。这一现象证明表面羟基在稳定吸附态Z型DNA中起关键作用。研究还发现，干燥后的吸附DNA在复水时能恢复原有构象，表明矿物表面可长期保存DNA结构信息。

该研究首次完整揭示了矿物表面通过静电和氢键相互作用调控DNA构象的动态过程，建立了"pH-表面电荷-构象转变"的定量关系模型。发现环境相关pH(5-6.5)下TiO₂表面可诱导DNA发生B-Z转变，这一现象对理解eDNA在自然界的持久性和检测准确性具有双重意义：既可能通过Z型构象的形成延长DNA存活时间，又可能因易解链特性导致PCR扩增偏差。研究提出的矿物表面介导DNA二级结构重排机制，不仅为环境DNA研究提供了新视角，也为理解早期生命分子在矿物表面的进化选择压力提供了实验依据。