生物分子誘導(dǎo)的超分子水凝膠組裝過程研究及成像分析.pdf

1、自組裝是自然界以及生命體系中廣泛存在的獨(dú)特現(xiàn)象，例如脫氧核糖核苷酸組裝成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)的聚集與折疊，控制細(xì)胞分裂過程的紡錘絲的形成等等。因此，研究自組裝過程具有重要意義。相比于物理或者化學(xué)方法誘導(dǎo)的自組裝過程（如改變溫度，酸堿度，離子強(qiáng)度，配體-受體相互作用等），生物分子誘導(dǎo)的自組裝過程具有很好的生物選擇性，其過程也更為溫和，能夠使人們了解并控制生物體系中的一些重要的生物過程。
　　目前，已有多種方法被應(yīng)用于表征生物分子

2、誘導(dǎo)的自組裝過程?？偨Y(jié)來說，對自組裝的過程和結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)可分為波譜類方法，顯微學(xué)方法，衍射學(xué)方法，流變學(xué)方法和理論模擬等。相比于這些傳統(tǒng)分析手段，生物成像（光學(xué)成像，核磁共振成像，核醫(yī)學(xué)成像等）分析具有無創(chuàng)傷、實(shí)時(shí)、活體、特異性、精細(xì)顯像等優(yōu)點(diǎn)，能夠反映出生物分子的空間和時(shí)間分布，從而了解活體內(nèi)的生物分子的相關(guān)生物學(xué)過程。因此，生物成像也被用于表征生物分子誘導(dǎo)的自組裝過程。然而，由于自組裝是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，想要實(shí)現(xiàn)靈敏地追蹤這一過程仍具有

3、很大的挑戰(zhàn)。因此，本課題旨在通過多種生物成像的手段，對生物分子誘導(dǎo)的超分子水凝膠組裝過程進(jìn)行機(jī)理研究及成像分析，以更好地了解生物分子誘導(dǎo)的分子自組裝過程，進(jìn)而為控制生物體系中的一些重要的生物過程提供思路。
　　本論文第一部分中，我們通過溶液掃描隧道顯微鏡(L-STM)首次直接觀察到了酶促超分子水凝膠組裝與解組裝的微觀過程。我們設(shè)計(jì)了兩種多肽小分子化合物，可以分別用于觀察堿性磷酸酶(ALP)誘導(dǎo)的超分子水凝膠的組裝過程以及EGFR誘

4、導(dǎo)的超分子納米纖維的解組裝過程。通過自制的L-STM，我們得到了納米纖維2的靜態(tài)高分辨率L-STM圖像，在該高分辨率L-STM圖像觀察的基礎(chǔ)上，我們建立了計(jì)算模型，其理論計(jì)算的尺寸，均符合我們的L-STM觀測結(jié)果。此外，這些超分子納米纖維的自修復(fù)行為也第一次被直接觀察到。
　　本論文第二部分中，我們設(shè)計(jì)了一種通過19F NMR的方法來檢測磷酸酶和酪氨酸激酶的新方法，其設(shè)計(jì)為一組含氟原子的功能化小分子水凝膠前體化合物，可以分別對磷酸

5、酶和酪氨酸激酶響應(yīng)發(fā)生組裝和解組裝，通過核磁共振波譜可以實(shí)時(shí)跟蹤該過程中的19FNMR信號“開-關(guān)”過程，進(jìn)而反映酶的活性。該無創(chuàng)成像方法可作為實(shí)時(shí)探測腫瘤生長和遷移過程的潛在有效工具，并用于相關(guān)藥效評估。
　　本論文第三部分中，我們設(shè)計(jì)并合成了能夠識(shí)別的含碘的凝膠因子前體小分子，可以在細(xì)胞中磷酸酶活躍的部位引發(fā)分子自組裝形成含碘的納米纖維結(jié)構(gòu)，并利用同步輻射軟X射線對這一酶控成膠過程直接成像。本章通過小分子自組裝行為達(dá)到造影劑在

6、細(xì)胞內(nèi)主動(dòng)富集的策略，有望發(fā)展出一種“智能”酶活研究新方法。
　　本論文第四部分中，我們設(shè)計(jì)并合成一種功能化超分子水凝膠前驅(qū)體，用于細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境區(qū)分。該小分子的磷酸根在胞外的磷酸酶的作用下被切除，引發(fā)第一級自組裝形成線性納米纖維。而當(dāng)這些小分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，由于GSH的存在，小分子上的雙硫鍵被GSH還原，從而露出半胱氨酸上的巰基硫醇結(jié)構(gòu)。裸露的氨基硫醇結(jié)構(gòu)又可以和小分子結(jié)構(gòu)中的氰基苯并噻唑發(fā)生高效的點(diǎn)擊縮合反應(yīng)，生成環(huán)狀的二聚體