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病毒衣壳蛋白因结构简单、形貌多样且易被改造,在制备新型纳米生物材料和器件上有着广泛的运用。目前大部分报道的工作主要还是停留在运用病毒本身固有结构。但病毒结构本身越来越不能满足纳米生物材料的发展需要。更加复杂、可控的全新结构亟待开发制备。定向的化学或基因修饰能够改变病毒外壳蛋白固有组装行为,实现有序多维的衍生组装,从而制备出全新及功能化的纳米生物材料。本工作利用典型棒状病毒一烟草花叶病毒(TMV),通过简单的基因工程手段在病毒外表面引入功能基团。改变其固有组装行为,实现全新的纳米-微米尺度的多维结构体外自组装。主要内容包括以下几部分:1、通过对TMVcp晶体结构的分析,选取暴露在外表面N-端第1位和第3位氨基酸为半胱氨酸的突变位点。通过基因工程的方法构建三株不同表达质粒,分别为 T103C-TMVlcys、T103C-TMV3cys 和 T103C-TMVl,3cys。经硫酸铵沉淀与离子交换色谱获取高纯度的TMVcp突变体亚基。2、以野生型TMV组装特性为基础,通过透射电镜分别考察三株突变体在不同条件下各自的组装行为,并与对照组T103C-TMVcp比较。实验发现103C-TMV]cys和T103C-TMV3cys与对照组T103C-TMVcp有着相似的组装行为,然而T103C-TMV1,3cys的组装行为完全不同于T103C-TMV1cys、T103C-TMV3cys 和对照组 T103C-TMVcp。T103C-TMV1,3cys 在相同组装条件下形成全新有序多维的衍生超结构一一二维蜂窝状结构(disk-array)和三维蛋白束(bundle)。3、通过透射电镜和动态光散射观察T103C-TMV1,3cys disk-array和bundle的组装过程。将预先组装好的disk-array和bundle重新透析于不同pH缓冲液中。通过电镜观察二者在不同pH条件下的稳定性。实验结果显示,在pH 4.5-pH 9.5之间,disk-array与bundle能够维持结构的完整性。利用二硫键还原剂TCEP还原disk-array和bundle,发现可将二者分别解聚为分散的disk和短纳米棒基元。说明这些多维衍生体是通过T103C-TMV1,3cys disk外表面之间形成的二硫键介导连接,而且稳定的二硫键赋予这些蛋白超结构良好的稳定性。4、制备尺寸均一,大小为3.5 nm的纳米金粒子(AuNPs)。利用AuNPs与巯基基团之间可形成强的Au-S键,以T103C-TMV1,3cys disk-array和分散的T103C-TMV1,3cys disk为生物模板,自组装形成二维的金粒子阵列和18 nm纳米金圈,并初步对其表征。本工作打破了 TMV衣壳蛋白固有的组装行为,成功制备出多维TMV衍生超晶体结构。拓宽了 TMV作为纳米生物模板在纳米领域的应用。成功制备出的纳米金圈和AuNPs阵列初步展现出这些新结构潜在的应用价值。通过简单基因改造将分散的蛋白基元重新组装制备多维超结构的思路,为将来制备更多具备功能,更加复杂的纳米生物材料提更一范例。