生物大分子拉伸力譜並行測試方法的研究

《生物大分子拉伸力譜並行測試方法的研究》是依託天津大學，由胡小唐擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物大分子拉伸力譜並行測試方法的研究
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：胡小唐
• 依託單位：天津大學

項目摘要

生物分子實現功能不僅與其組分和構象有關，而且其動力學特性更是決定性因素。生物分子動力學研究是在單分子水平上對生物分子進行操縱及相關物理和化學特性的測量，是揭示生物複雜性和多樣性的最底層手段。然而，目前的測試手段只能對單個或少數幾個生物分子動力學特性進行測量，不僅在效率上嚴重製約了生物單分子套用技術的發展，而且逐個檢測的方式也無法可靠地對生物分子動力學特性的差異性進行測量。.項目提出一種新的生物大分子拉伸力譜並行測試方法，可在一次測量中同時獲得數十個生物大分子拉伸過程中的力譜信息，這將會給生物大分子動力學研究方式帶來質的變化。針對該研究目標的實現，擬開展的主要研究內容包括：（1）基於離心力的皮牛量級的單分子力拉伸控制與測量方法；（2）基於數字全息顯微術的微粒三維納米級位置跟蹤、測量方法；（3）典型生物單分子研究體系力譜並行測試實驗方法的探索；（4）緊湊型高精度光學機械系統的設計與製造。

結題摘要

生物大分子拉伸力譜並行測試方法是在單分子水平對生物分子進行多目標操縱與動力學特性測試，研究生命基本過程、仿生材料、疾病產生機理等生命科學的基礎研究內容。本項目圍繞這一主題，開展生物大分子動力學特性測試方法與儀器的研究工作，研製了基於數字全息顯微技術的生物大分子並行力譜測試技術與系統，實現施力範圍涵蓋從1pN到2000pN，微球位移測量分辨力優於2nm，並行測量樣品數大於10組等性能指標，並對雙螺旋DNA鏈、蛋白質大分子鏈（NuG2、TOP7）等生物樣品的力譜數據進行了系統地測量。主要研究成果包括：（1）提出、設計並實現了基於旋轉離心力的大通量生物分子拉伸測試方法與系統，解決了高速旋轉條件下機械形變/蠕變、空氣動力學、風噪、振動等難題，樣品從靜止到最高轉速狀態下的相對位移變化量控制在100nm以下，為分子力譜測試奠定了基礎；（2）創新發展了基於數字全息顯微技術的液體環境微粒三維納米級位置跟蹤與測量方法，提出了離軸、正交軸、單軸等多種全息測量與數據處理方法，有效解決了液體環境微球定位速度慢、精度低，易受干擾等問題，顯著提高微粒的定位和跟蹤精度，採用多核心並行運算算法，實現了10組及以上目標並行實時測試的功能；（3）發展了基於基片-配體-蛋白質-配體-微球的鏈狀生物分子測試樣品，建立了單分子力譜樣品製備平台，為並行測量的順利實施提供了可靠的樣品；（4）發展了基於分子結構的生物大分子動力學模型，對多種分子樣品（DNA鏈、NuG2、TOP7）等進行了系統性測試，完善了利用力譜測量曲線研究生物分子結構與動力學特性的分析方法。項目的研究成果已發表SCI和EI論文13篇，申請發明專利4項，並有23人次參加了十餘個國內外本領域高水平學術會議，為生物分子動力學特性的研究提供了一種新的並行測量方法與儀器，有效解決了測量效率與測量精度間的技術矛盾，促進了單分子水平生命科學測量技術的發展。