仿生多室化化學(xué)發(fā)光納米體系對(duì)生物反應(yīng)的邏輯運(yùn)算研究.pdf

1、眾所周知，細(xì)胞是自然界中最復(fù)雜、精密的體系之一。細(xì)胞內(nèi)時(shí)刻發(fā)生著大量維持生命體系功能的生化反應(yīng)，包括信號(hào)傳遞和能量代謝等。因此，參與生化反應(yīng)的各種生物分子通常是生物體健康及疾病狀況的標(biāo)志物。例如，生物體內(nèi)的葡萄糖濃度水平與能量代謝的正常維持密切相關(guān)，葡萄糖濃度的異常升高會(huì)導(dǎo)致糖尿病（即葡萄糖為糖尿病的標(biāo)志物）。標(biāo)志物分子所參與的生化反應(yīng)大都是在酶的級(jí)聯(lián)催化下執(zhí)行的。在“擁擠”的細(xì)胞內(nèi)同時(shí)執(zhí)行種類繁多的生化反應(yīng)主要依賴于細(xì)胞的多室化結(jié)構(gòu)特

2、征，即細(xì)胞中的各種細(xì)胞器可視為細(xì)胞結(jié)構(gòu)中不同的區(qū)室。近年來，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們針對(duì)細(xì)胞多室化結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了多種簡(jiǎn)化的人工細(xì)胞模型以探索細(xì)胞生命活動(dòng)的各種規(guī)律。本文中，我們構(gòu)建了一種新型的仿生多室化體系，并結(jié)合布爾邏輯門的原理，以高效靈敏的化學(xué)發(fā)光為輸出信號(hào)，一方面可以通過邏輯輸出信號(hào)對(duì)生物標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)分析，另一方面可以使得我們對(duì)細(xì)胞進(jìn)行生命反應(yīng)過程的理解更加簡(jiǎn)單化。本論文的內(nèi)容包括以下部分：
　　第一部分，基于酶的生物級(jí)聯(lián)反應(yīng)和細(xì)

3、胞的多室化結(jié)構(gòu)，對(duì)國(guó)內(nèi)外近些年來對(duì)生物級(jí)聯(lián)反應(yīng)和多室化結(jié)構(gòu)體系的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，并介紹了邏輯運(yùn)算和化學(xué)發(fā)光分析方法在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，為下面我們的研究提供理論基礎(chǔ)。
　　第二部分，我們首先合成具有親疏水區(qū)交替的特殊結(jié)構(gòu)的聚離子液納米顆粒，用于裝載在水溶液中不穩(wěn)定的過氧化草酸酯化學(xué)發(fā)光試劑。為了解決聚離子液封裝化學(xué)發(fā)光試劑之后在水溶液中的分散性問題，我們構(gòu)建了一種以聚離子液為核心，介孔二氧化硅為殼的新型的納米容器?；谶@樣一個(gè)化學(xué)發(fā)

4、光功能化的納米容器，我們研究了過氧化草酸酯和染料紅熒烯的最佳封裝摩爾比，同時(shí)對(duì)該化學(xué)發(fā)光功能化納米容器的發(fā)光動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了考查，發(fā)現(xiàn)該化學(xué)發(fā)光功能化納米容器具有良好的發(fā)光性能并能有效維持發(fā)光效率。
　　第三部分，脂質(zhì)體是一種人工膜，脂質(zhì)膜的雙分子層結(jié)構(gòu)也是最接近細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，以脂質(zhì)體制備仿生多室化結(jié)構(gòu)體系更接近自然細(xì)胞體系，并且脂質(zhì)體在相變溫度和乙醇存在的條件下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)的交錯(cuò)與融合。因此，這一部分我們主要利用脂質(zhì)體制備仿生多室化體

5、系，并結(jié)合第一部分制備的化學(xué)發(fā)光功能化的納米容器，在納米容器表面覆蓋一層脂質(zhì)體膜，再與另一脂質(zhì)體相互作用，從而構(gòu)建成一個(gè)大的脂質(zhì)體包裹數(shù)個(gè)納米容器的多室化結(jié)構(gòu)體系，并通過溶血素嵌插進(jìn)脂質(zhì)體膜形成蛋白孔，來促進(jìn)不同區(qū)室生物分子的跨膜傳遞與交換。
　　第四部分，將布爾邏輯門的概念引入到我們前面合成的仿生多室化體系中，將不同的氧化酶作為輸入端，化學(xué)發(fā)光信號(hào)作為輸出端，通過化學(xué)發(fā)光信號(hào)對(duì)仿生體系中的生物標(biāo)志物進(jìn)行分析。基于該研究，可以依據(jù)

6、化學(xué)發(fā)光邏輯信號(hào)判斷不同生物標(biāo)志物濃度水平的正常與否，這可用于疾病的評(píng)估診斷和預(yù)防。由于在細(xì)胞中發(fā)生的反應(yīng)復(fù)雜多樣，也為了探索更加復(fù)雜的生命過程，因此我們擴(kuò)大了邏輯操作規(guī)模，將多個(gè)邏輯體系相互串聯(lián)整合，并通過對(duì)不同邏輯狀態(tài)下的反應(yīng)進(jìn)行分析，可以簡(jiǎn)化對(duì)生命過程發(fā)生反應(yīng)的了解。
　　本論文首次將邏輯門概念與仿生多室化體系和化學(xué)發(fā)光體系相結(jié)合，對(duì)生物標(biāo)志物以及生物標(biāo)志物在酶催化下發(fā)生的級(jí)聯(lián)反應(yīng)做了簡(jiǎn)單的分析，并成功構(gòu)建了AND、OR、I