pBR322质粒DNA的原子力显微镜成象及剪切研究

研究DNA分子间和分子内相互作用力,可以帮助人们了解DNA分子的结构及其功能.由于对这些相互作用力进行直接测量时,不仅需要控制体系的稳定性,同时外加作用力又不能对体系产生影响.因此,目前只是利用X射线,光散射和核磁共振等手段对作用力进行直接的物理或热力学测量.虽然渗透压技术已经应用到DNA双螺旋非特定分子间力的测量,但对于具有特定取向的复杂分子相互作用,就需要在单个分子间进行直接测量.原子力显微镜(AFM)可以检测到10~(-14)N数量级的针尖-样品相互作用力,横向分辨率可达0.01nm,而接触面积只有10nm~2,并且可以在近生理溶液条件下操作,因此它是非常适合研究DNA分子间相互作用力的.事实上,利用AFM研究Biotin-streptavidin体系中的单个分子间相互作用以及DNA双链间的相互作用力已有报道.     

基于AFM的血管生成素与其核酸识体(Aptamer)的相互作用力

基于原子力显微镜(AFM)力测定技术研究了血管生成素与其核酸识体(Aptamer)之间的相互作用力, 并与一系列对照实验中测量的相互作用力进行了比较. 结果表明, 血管生成素与其Aptamer之间存在着特异性相互作用. 另外, 采用Poisson统计的方法计算出血管生成素与其Aptamer间的单分子相互作用力为(133.7±11.7) pN. 这些研究结果的获得有望为更好地揭示血管生成素与Aptamer的识别机理, 进一步解释Aptamer对血管生成素活性的抑制作用提供依据.     

生命科学用原子力显微镜之原理与应用

本文在简单介绍原子力显微镜（AFM）成像原理及其特点的基础上，主要从AFM对核酸、蛋白质和细胞微生物的表面特性、内部结构、分子细胞间的相互作用及其动态观察、单分子操纵以及分子识别等方面的应用加以举例介绍。随着科学技术的发展，AFM的不断改进与完善，AFM必将成为生命科学研究的重要手段之一。     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

基于AFM的淋巴瘤细胞成像及其机械特性测定

原子力显微镜(AFM)以其独特的成像方式, 为在细胞水平和分子水平获取细胞生理状态的新认识提供了技术手段. 研究了近生理环境下基于AFM的Burkitt淋巴瘤(Burkitt’s lymphoma, BL)细胞成像及其机械特性的测定, 探索了基于多聚赖氨酸的悬浮细胞固定方法, 并在此基础上实现了AFM对BL细胞表面形貌及其超微结构的高分辨率成像; 对活体BL细胞以及戊二醛固定后的BL细胞的机械特性进行了测定, 验证了Hertz模型对BL细胞机械特性描述的有效性, 同时揭示了戊二醛的引入将导致BL细胞硬度的显著增加. 实验结果为近生理环境下悬浮细胞的高分辨率形貌表征和机械特性测定提供了技术思路和实验方法, 同时为在单细胞尺度上探索可用于疾病早期快速诊断和个性化治疗的新生物标记奠定基础.     

宏观构筑基元表面柔顺性的调控与组装

宏观超分子组装的研究对象是表面修饰有大量超分子识别基团的10μm以上的宏观构筑基元,以及它们之间基于超分子多重相互作用的碰撞、识别和组装的过程,它是超分子化学的新兴研究方向,为体相超分子材料的制备提供了新的思路.宏观构筑基元的表面柔顺性是决定构筑基元间能否通过多重相互作用,增强相互作用,实现组装的关键要素之一.本文从界面间相互作用出发,通过交替层状自组装方法,在刚性聚二甲基硅氧烷(PDMS)构筑基元表面分别构筑不同层数的聚电解质多层膜,以调控宏观构筑基元的表面柔顺性,并研究聚电解质多层膜层数对于宏观构筑基元组装行为的影响.通过研究在水中叠加组装的时间与聚电解质多层膜层数的关系,我们发现当构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数较少时,经过长时间叠加也不能发生组装;随着构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数的增加,可以在较短的时间内叠加实现组装.同时对构筑基元之间的相互作用力随时间的变化进行了原位测量,其力值与上述组装行为一致.本工作验证了"具有高柔性表面是宏观超分子组装的设计原则",说明通过调控构筑基元表面柔顺性可以调控其宏观组装行为.     

超分子体系中的分子识别研究Ⅲ——环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的手性识别

分子受体(主体)选择性键合底物(客体)形成超分子种类的研究在化学和生物化学等领域是当今一个研究热点.天然和化学修饰环糊精具有相当的刚性和良好的疏水空腔,可以作为分子受体识别各种有机和无机以及生物分子形成主-客体或超分子配合物,而且可以作为一种优良的酶底物相互作用的模型被应用于科学和技术的几个领域.我们近来对天然环糊精和各种环糊精衍生物与萘衍生物分子识别的热力学性质研究,有助于我们加深理解受体-底物之间的几种弱相互作用力,包括范德华力、氢键和疏水相互作用力,得到了有意义的结果.在目前的研究中,我们报道环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的分子手性识别.这样的一种     

图像配准和时间平均在DNA单分子AFM探测中的应用

增强单分子成像的信噪比(SNR)对单分子精细结构的识别和分辨率的提高具有重要意义. 目前单纯依靠硬件技术的改善无法突破固有限制, 众多研究表明, 图像处理技术是进一步提高单分子成像SNR的重要方法. 原子力显微镜(AFM)的单分子成像具有独特优势, 至今还未有利用图像处理方法改进低信噪比单分子图像的报道. 本文以单个DNA分子为典型样品, 针对操纵及弹性研究等方面的独特研究基础, 以时间平均法替代电子显微镜等技术中针对可重复形态制样的单分子的分类平均法, 对单个DNA分子的AFM时间序列图像采用图像配准和时间平均方法, 有效改善了图像的信噪比, 能够恢复背景中与噪声量级相当的信号. 结合其他技术, 本方法可实现图像精细结构的进一步解析和识别应用, 有望在AFM单分子操纵中起到重要作用. 本文描述的基于图像配准和信噪比评估的方法具有普适性, 可应用于AFM成像质量及状态的定量评估表征中.     

Li/Li(100)体系的吸附与表面扩散的对势研究

原子、分子同固体表面的相互作用是多相催化,气体腐蚀,分离以及晶体生长等领域研究中的一个重要课题,从分子水平上进行理论研究,不仅有助于认识吸附质和表面相互作用机理,而且可以获得吸附、表面扩散等动力学信息。尤其是台阶缺陷表面对吸附、扩散扰动的研究,使我们对气固吸附本质有进一步的认识。     

无机盐离子对石英表面油-水润湿性的影响

油藏岩石表面油-水润湿性对原油的开采具有重要影响,润湿性向亲水转变被认为是低矿化度水驱技术的主要机制,但是低矿化度水注入后岩石表面发生润湿性转变的微观机理目前依然存在很多争议.本研究针对极性分子在岩石表面的极性吸附,研究水中无机盐离子对石英表面润湿性的影响及其作用机理.研究发现,相同浓度下,NaCl溶液和KCl溶液的接触角基本相同;在浓度较低时, CaCl_2溶液使三相接触角降低的幅度比NaCl溶液更大,Na_2SO_4溶液比NaCl溶液效果更明显;在较高浓度下, Na_2SO_4溶液的接触角与NaCl溶液相似.当离子浓度大到一定程度时,不同溶液的接触角都趋于15°左右,离子使吸附的极性分子基本都脱附,导致石英表面润湿性向亲水转变.基于石英粉末的Zeta电位测量和石英片表面的原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)粗糙度分析,提出了两种机理解释:(1)癸烷中的十八胺在油水界面质子化带正电,与水中阴离子相互吸引,降低了油水界面张力;(2)水中的阳离子在带负电的石英表面吸附,使石英片表面负电性减弱,并置换了部分石英表面吸附的十八胺分子,使石英表面亲油性减弱.     

人纤维蛋白原与聚四氟乙烯表面间相互作用的研究

在生物医学材料的研究和应用中,亟待解决的一个重要问题是这些材料的血液相容性问题.一般认为生物医学材料表面吸附了纤维蛋白原(Human fibrinogen,Fg),γ-球蛋白等糖蛋白后,就会与血小板形成复合体而粘附于材料表面,加速内源性凝血,促使溶胶状态的纤维蛋白原转变成为凝胶状态的纤维蛋白,从而造成凝血.尽管人们对于血浆蛋白与各种材料表面的相互作用已进行了大量的研究,然而血浆蛋白在材料表面的吸附机理至今尚不清楚.为了搞清楚材料表面凝血的机理,首先需要从界面反应的角度研究吸附在材料表面的血浆蛋白分子的结构和功能上发生的变化.Fg是理解凝血、抗凝、血栓形成与溶栓机制的核心,本文将Fg吸附在平均粒径约100μm不透明的聚四氟乙烯(Poly tetrafluro ethylene,PTFE)微粒表面,用圆二色(Circular dichroism,CD)光谱方法研究它们间的相互作用,为从分子水平理解PTFE表面的血液相容性提供了一定的依据.     

甘氨酸-水杨醛席夫碱和邻菲咯啉混合铜(Ⅱ)配合物与牛血清白蛋白相互作用热力学行为

在模拟人体生理条件下,采用荧光光谱、紫外光谱、圆二色谱和分子模拟等多种技术和方法,研究了甘氨酸-水杨醛席夫碱和邻菲咯啉混合铜(Ⅱ)配合物(Cu GP)与牛血清白蛋白(BSA)相互作用的热力学行为.荧光光谱和紫外光谱分析表明,Cu GP与BSA之间的猝灭机制为复杂的混合猝灭机制.通过所获取的相互作用热力学参数,可以发现Cu GP与BSA的相互作用是一个吉布斯自由能降低的自发过程,猝灭过程的活化能为8.61 k J/mol,二者之间的主要作用力为静电相互作用力.圆二色谱的分析发现Cu GP与BSA的结合会导致蛋白结构发生破坏,其?-螺旋含量减少,无归卷曲含量升高.分子模拟研究发现Cu GP结合在BSA的Site?位点,与BSA发光残基TRP213,TYR156,TYR340和TYR451之间距离小于5?.     

烷氧基取代苯甲酸甲酯有序膜结构的STM研究

利用扫描隧道显微镜研究了3, 4, 5-三取代十二烷氧基苯甲酸甲酯(E12)和3, 4, 5-三取代十四烷氧基苯甲酸甲酯(E14)两种分子的自组装结构、组装层分子间相互作用以及两种分子共吸附在石墨表面时的组装结构. 两种分子均在石墨表面有序吸附, 分子在偶极-偶极相互作用下, 烷基链对插排列形成类二聚体的二维有序长程结构. 取代基数目的差异导致两种分子吸附结构不同. 两种分子混合在石墨表面吸附时, 各自形成不同的畴区, 呈相分离状态.     

电导法用于催化研究

由电导的变化提供固体表面和它们表面吸附分子之间电子传递的信息,已成为人们进行催化研究的“电子化学探针”之一.在多相催化和光催化的研究中,人们使用这种“电子化学探针”进行固体催化剂表面相结构的分析,研究气体在催化剂表面的化学吸附,讨论催化反应机理,揭示金属和载体之间的相互作用或影响催化反应的电子因素,等等.     

转铁蛋白及其抗体分子间作用的原子力显微镜探测

采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进行研究. 对转铁蛋白抗体层层自组装在喷金基片表面并且与抗原蛋白之间特异性结合的形貌进行了表征. 通过原子力显微镜对分子间力的曲线的探测, 比较了饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异. 实验表明, 饱和铁转铁蛋白与抗体分子之间结构互相嵌合, 结合更加紧密; 分子间力的曲线亦显示饱和铁转铁蛋白与抗体之间的特异性结合力明显大于脱铁转铁蛋白.     

基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

粘附分子在小鼠胸腺基质细胞克隆活化同系脾细胞增殖中的作用

在免疫应答中,不同类型细胞之间的相互作用是免疫应答诱导与维持所必须的,相互作用的特异性尽管是由TCR介导和调节,但膜表面其它分子的作用也十分重要.已证明粘附分子是参与这一过程的重要膜分子之一.胸腺内,发育T细胞经粘附分子介导与胸腺基质细胞(TSC)的相互作用是TSC参与辅助抗原识别以及克隆选择等T细胞发育事件的一个重要机制.利用体外建立的TSC克隆分析介导TSC与不同发育阶段T细胞相互作用的膜分子性质及作用将有助于揭示T细胞发育的分子机理.我室建立的MTECl和MTSCS可直接与成熟T细胞相互作用,使之活化增殖.为此,本文进一步报道了粘附分子在该过程中的作用.     

纳米颗粒与细胞的交互作用

与大块材料相比,纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质,这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景.同时,愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备,使得其生物安全性也受到很大的关注.由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上,这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用.大量的实验表明,纳米颗粒吸附在细胞膜表面,并通过不同方式被细胞所摄取.纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.本文简要介绍颗粒进入细胞的路径,着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素,并对后续的研究方向进行展望.     

埃可病毒11型利用双受体CD55和FcRn侵染细胞的分子结构基础

埃可病毒11型属于小RNA病毒科,肠道病毒属,是B族肠道病毒中的一个重要血清型.埃可病毒11型可导致儿童和青少年脑炎和脑膜炎等疾病,在婴儿和新生儿中导致重症感染甚至致命的病例也时有报道.此外,埃可病毒11型还多次在新生儿和婴幼儿群体中引起暴发性感染,如2019年中国广东省发生的院内感染暴发事件,造成了19例新生儿的感染和5例死亡,严重威胁人类健康和公共卫生安全. CD55是20世纪90年代初发现的部分埃可病毒的吸附受体,该受体可以帮助病毒吸附在细胞表面,但并不能介导病毒完成完整的入侵过程.我们在2019年的研究中,发现了人新生儿Fc受体(neonatal Fc receptor, FcRn)是B族肠道病毒的通用脱衣壳受体,并以埃可病毒6型为例解析了病毒入侵机制.本研究利用冷冻电子显微镜技术,解析了埃可病毒11型在入侵过程中不同pH条件下各阶段的病毒颗粒结构,以及病毒与两受体的复合物,共10个原子或近原子水平高分辨率冷冻电子显微镜结构,并结合表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR)和脂质体模拟试验等分子水平试验,系统地阐述了埃可病毒11型利用CD55和FcRn"双受体系统"入侵细胞的分子机制.埃可病毒11型利用其VP2、VP3结构域与吸附受体CD55的3、4两个短同源重复(short consensus repeat, SCR)结构域结合,结合后病毒颗粒不发生变构.病毒与脱衣壳受体Fc Rn结合之后,开始发生变构,并可在脂质体膜的辅助作用下释放遗传物质完成脱衣壳.与埃可病毒6型不同的是,埃可病毒11型结合FcRn之后在中性条件下即可起始变构.本项研究解析了重要病原埃可病毒11型侵染细胞的分子结构基础,并进一步完善了非囊膜病毒的"双受体"入侵模型.     

单分子力谱

基于原子力显微镜技术的单分子力谱是研究高分子体系中的分子内与分子间相互作用, 进而揭示其超分子结构的本质及动态过程的一种新型纳米表征技术. 结合我们近期的研究工作, 概述了单分子力谱的工作原理及单分子拉伸的判断标准, 讨论了单分子力学谱与超分子结构、高分子界面吸附形态与力谱形状、分子间特异性相互作用的直接测量等, 并对该领域的未来发展作了展望.