基于原子力显微镜研究(模拟)生物分子相互作用与行为机理

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在自然界,生物分子常常通过分子内或分子间的相互作用,组装形成多级结构以发挥各种功能,维持生命活动。受自然的启发,科学家们已经筛选或合成出多种有机大分子,像核酸适配体、类肽等等,以模仿生物分子的功能或治疗疾病。研究这些(模拟)生物分子之间的相互作用和行为机理,对理解和开发功能性材料尤其重要。类肽是一类人工合成的类多肽仿生高分子材料。类肽分子的骨架与多肽相同,只是相比于多肽分子将侧链悬于a-碳原子,类肽分子的侧链连接在氮原子上。和多肽相比,类肽骨架缺少手性和氢键贡献基团,这种区别使类肽的分子链更加灵活。类肽一般通过固相合成法合成,可以将各种廉价、商业易得的功能基团精确引入到分子链中。通过引入特殊的侧链基团可以控制类肽分子之间的相互作用,使其组装形成各种功能结构。类肽还具有很好的热和化学稳定性。原子力显微镜(AFM)是由Binning等人,于1986年成功研制的一种具有超高空间分辨率,高力学灵敏度(pN级)的扫描探针显微镜(SPM)。AFM既不需要依赖物质表面的导电性,又能像扫描隧道显微镜(STM)一样,在空气和液体等介质中检测物质表面纳米尺度,甚至分子水平的形貌特征。此外,由于AFM对力具有极高的灵敏度(pN)和可控性,所以其还是探究样品分子间相互作用力(范德华力,静电吸引/排斥力,氢键等)的理想工具。因此,AFM已经在生物、纳米等领域不断的扩展应用,正在成为一种非常重要的表征手段。本论文以原子力显微镜为基础,利用AFM单分子力谱技术(SMFS)研究了类肽分子之间及凝血酶与核酸适配体之间的相互作用。此外,利用AFM纳米刻蚀(Nanoshaving)技术和原位AFM技术(In-situ AFM),还研究了类肽分子的特性,自修复功能及不同表面对分子自组装的影响。本论文共有五章,具体如下:第一章绪论本章系统地介绍了原子力显微镜的工作原理、工作模式和技术要点。之后重点介绍了AFM单分子力谱技术和纳米光刻技术及它们在生物学的应用。最后阐述了本论文的研究内容、研究意义和创新性。第二章基于原子力显微镜单分子力谱研究凝血酶与核酸适配体之间的相互作用机理本章基于原子力显微镜(AFM)单分子力谱技术,开发出了一种直接研究单个凝血酶分子和它的两个核酸适配体分子之间相互作用的新方法。尽管之前基于AFM已经有些关于凝血酶和适配体之间相互作用的研究报道,但它们都是通过化学链接剂将凝血酶固定起来进行研究的,链接剂可能会对凝血酶的活性位点或与适配体之间的相互作用产生影响。我们通过化学方法分别将与凝血酶相互作用的两个核酸适配体(15apt和27apt)固定在探针和基底上,凝血酶游离在缓冲溶液中,当探针靠近基底时,凝血酶会与两个适配体结合形成“三明治结构”,之后将探针拉离基底,即可测试得到不同拉动速度下的断裂力和断裂距离。并利用DFS,计算得到凝血酶-适配体分子之间的断裂能。结果表明,凝血酶与其两个适配体之间的相互作用大小相近。第三章利用原子力显微镜单分子力谱研究类肽分子间及类肽分子与基底表面的相互作用类肽是一类基于多肽分子骨架而人工合成的仿生高分子化合物。一种新型类肽化合物被合成出来,这种类肽分子能以云母为基底进行分子自组装、结晶形成三维网状纳米纤维结构。但是,这种化合物在云母表面的组装机理还不清楚。通过原子力显微镜(AFM)单分子力谱技术,我们研究了类肽分子之间或其与云母表面在钙离子协调下的相互作用。我们发现,在相同钙离子浓度时,类肽分子与云母表面的相互作用大于类肽分子之间的相互作用。在不同钙离子浓度时,类肽分子与云母表面的相互作用会随着钙离子浓度的增大而增大。我们还推断了类肽分子在云母表面的组装过程。第四章基于原子力显微镜技术研究类肽二维薄膜材料的特性和自修复功能并制备多功能纳米图案二维材料由于其独特的特性,使其在传感、过滤、生物医学设备和纳米电子等方面有广泛的应用前景。一类具有特定亲疏水性的类肽化合物被合成出来。这类化合物能自组装形成类似于细胞膜的二维纳米仿生薄膜材料。通过AFM技术,发现这类二维薄膜材料具有稳定、厚度可变的特性。此外,我们还利用AFM在不同的表面将组装好的二维薄膜材料破坏,之后再注入类肽单体溶液,原位观察二维薄膜材料的自修复过程。我们发现,类肽二维薄膜材料能在带正电或负电的亲水性界面,甚至没有基底界面的情况下完成自修复。并且修复速度与二维薄膜材料边界的方向有关,这也反映了二维薄膜材料结构组成的方向异性。我们还探究了不同基底、pH和单体浓度对自修复过程动力学的影响。更有趣的是,我们还发现,若类肽单体主体亲疏水基团保持不变,在亲水端连有不同官能团的类肽单体也能修复到被破坏的二维薄膜材料中。这样我们就能通过AFM将具有不同官能团的类肽分子纳米级精确定位组装在同一个二维薄膜材料上,形成具有多功能表面的二维薄膜仿生材料。第五章利用原子力显微镜研究不同基底表面对类肽分子自组装的调控作用调节和控制分子的自组装,对发展功能性仿生材料非常重要。一种新型类肽分子被合成出来。这种分子的自组装过程受其组装的基底影响,能在不同的表面自组装形成不同的结构。在一定的pH范围内,新型类肽分子能在云母和二氧化硅表面分别形成二维薄膜和纳米纤维网状结构。通过原位原子力显微镜技术Un-situ AFM),我们研究了这种类肽化合物在上述两种表面形成不同结构的过程和动力学,探讨了基底表面影响类肽分子自组装,形成不同纳米结构的机理。此外,我们还发现类肽分子的自组装受溶液pH的影响较大,过高或过低的pH都会阻碍类肽分子形成规则的纳米结构。类肽分子在云母表面的自组装还与溶液中钙离子的浓度有关,钙离子能调节分子间的相互作用,改变类肽的自组装过程。
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