上个世纪末,日本Asanuma和Komiyama等人将光响应的偶氮苯官能团楔入DNA序列,其反式构型可插入到碱基对层间空隙,不影响双螺旋结构的稳定性；顺式构型偶氮苯,由于体积位阻的影响,导致碱基间氢键作用减弱,双螺旋结构容易被打开；通过照射不同波长的光,可控制DNA双链的杂交与解链。这种新型光响应DNA材料的出现,为DNA光控技术的研究揭开了序幕。本课题以较小的甘油分子为骨架,通过柔顺性的醚键楔入偶氮苯或二甲基偶氮苯,以期减少掺杂DNA与天然互补链杂交时的结构扭曲,增加长链DNA插入多个偶氮苯后与天然互补链的杂交稳定性,提高偶氮苯官能团的光致异构化比例,从而改善光控解链效果,并进一步将其应用到链置换体系,为此本文主要从以下三个方面开展工作。1)合成甘油骨架偶氮苯掺杂DNA材料,测定其基本参数首先通过重氮偶合反应合成羟基偶氮苯官能团；然后以缩水甘油为原料,依次进行DMT羟基保护、羟基偶氮苯开环环氧以及亚磷酰胺酯化等有机反应,合成功能化偶氮苯亚磷酰胺保护单体；最后通过DNA合成仪将亚磷酰胺保护单体插入到DNA序列,并测定这种新型偶氮苯掺杂DNA材料的摩尔吸光系数、光致异构化比例及不同温度下的热衰变速率。实验结果表明,合成的偶氮苯亚磷酰胺保护单体可按设计序列插入到DNA中；甘油骨架醚键楔入的偶氮苯,在常温下可见光光致异构得到的反式含量可达94%,紫外光光致异构得到的顺式含量为80%；在60℃时,顺式2’,6’-二甲基偶氮苯掺杂DNA热致异构半衰期长达24 h。2)可逆光控掺杂DNA杂交与解链将甘油骨架偶氮苯(或二甲基偶氮苯)掺杂DNA与天然互补序列杂交,通过熔解曲线分析光控杂交与解链可能性。实验结果表明,随掺杂偶氮苯分子个数增多,反式掺杂链杂交后双链熔点升高,顺式结构熔点下降。12个天然碱基插入5个偶氮苯,反式熔点比天然双链高7.6℃,顺式熔点比天然双链低38℃。对于20和35个碱基序列,每隔两个天然碱基插入一个偶氮苯类功能分子,反式与顺式的熔点差均可达到40℃左右,为实现可逆光控解链与杂交提供了较宽的有效温度范围。将杂交的两条DNA链分别用荧光分子和淬灭分子修饰,通过荧光光谱可表征其解链与杂交程度。20个天然碱基插入9个偶氮苯,在常温下可见光照使得95%双链杂交,紫外光照下81%解链。这个数值也可以通过紫外吸收光谱计算,结果与荧光实验相符。35个天然碱基插入16个二甲基偶氮苯,在50℃下光控解链效率(紫外和可见光照后,掺杂链杂交比例之差)为47%,在60-70℃下光控解链效率可达76%。交替使用紫外和可见光照,多次循环后光控解链效率没有明显降低。本文进一步通过凝胶电泳验证了光控杂交与解链的状态,表明掺杂DNA与天然互补序列可以有效光控杂交与解链。3)可逆光控掺杂DNA链置换在掺杂DNA、天然互补序列和第三条天然竞争序列同时存在时,由于反式掺杂链与互补序列杂交双链熔点更高,掺杂链取代天然竞争序列与互补序列杂交,而紫外光下掺杂链将被相对稳定的天然竞争序列置换。荧光测试结果表明,对于9个偶氮苯掺杂20个碱基DNA,加入天然DNA竞争序列(12-15个碱基),25～37℃之间可以实现光响应的链置换。紫外光下掺杂序列被天然序列置换,可见光照后大于70%的天然序列被掺杂序列置换。当粘性末端长度减少时,掺杂DNA置换天然DNA的速率和效率会同时大幅下降。对于16个二甲基偶氮苯掺杂35个碱基DNA,加入20个碱基的天然DNA竞争序列。37℃时,紫外光照下虽然只有57%掺杂序列被天然竞争序列置换,这个比例远远高于7%的光致掺杂DNA解链效率。50℃以上,可见光下大于85%的天然竞争序列被掺杂序列置换；而紫外光下90%掺杂序列将被天然竞争序列置换；当增加天然竞争序列长度,使得粘性末端长度低于9个碱基时,掺杂DNA置换天然DNA竞争序列的速率和效率会同时大幅下降。交替使用紫外和可见光照照射,多次循环后光控链置换效率(紫外和可见光照射后置换的比例之差)没有明显降低。结合凝胶电泳实验结果,我们确认实现了没有链消耗和副产物的可逆光控链置换。