合成高分子對視黃醛膜蛋白功能的影響及相應功能材料的研究.pdf

1、光敏蛋白是一種將光能轉換成化學能或生理信號的生物大分子,在光合成和視覺感觸方面具有舉足輕重的作用。而細菌視紫紅質(bacteriorhodopsin,BR)便是這類光敏蛋白中的典型代表。這種蛋白質被發(fā)現(xiàn)后,其所具有的獨特性質引起了許多科學工作者的興趣,很多科學工作者對其技術應用進行了研究,甚至提出了利用BR制造“蛋白質計算機”的構想。鑒于活性蛋白質自身難以成為可直接投入使用的材料,為了將來能夠實現(xiàn)器件化和產(chǎn)品化,通常將BR包埋于某種合適

2、的聚合物基質中,制作含有BR的復合材料。然而,合成高分子對于此類活性蛋白質的影響遠未得到充分研究,這限制了含有光敏蛋白的材料制備技術的提高;此外,研究合成高分子與生物大分子相互作用本身也是具有一定普遍意義的基礎研究課題。
　　本博士論文課題從生物和材料學科交叉的角度入手,研究合成高分子聚合物對這種具有跨膜定向質子傳遞功能和光化學循環(huán)特性的BR和另一相關蛋白質古紫質4(arehaerhodposin,AR4)的影響。在此基礎上,綜合

3、運用化學手段和基因工程手段對上述兩種膜蛋白進行改性,并將其與具有良好加工性能和力學性能的聚合物材料相結合,為制備高性能的活性蛋白質介導的復合材料提供新思路。
　　本論文的主要創(chuàng)造性工作為:
　　(一)首次發(fā)現(xiàn)兩親性嵌段共聚物對于細菌視紫紅質的功能具有超過兩親性小分子和普通高分子的十分顯著的影響,并予以了解釋。研究了兩親性嵌段共聚物聚氧乙烯-b-聚氧丙烯-b-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO,商業(yè)名稱Pluronic)對膜蛋白

4、BR功能的影響。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過Pluronie處理后,BR保留了其光驅質子泵行為,但其光激發(fā)后的質子提取的時間和M中間態(tài)的壽命得到約3個數(shù)量級的顯著延長:而加入均聚物聚氧乙烯(PEO)和小分子去垢劑卻未發(fā)現(xiàn)如此顯著的效應;通過圓二色譜儀檢測發(fā)現(xiàn),經(jīng)過Pluronic處理后的BR仍然是以三聚體結構存在;而且經(jīng)過Pluronic處理后BR的中間態(tài)壽命幾乎不受水含量的影響;通過比較有無BR膜蛋白存在兩種情況下的P123的臨界膠束濃度,發(fā)現(xiàn)這種延長效

5、應與共聚物膠束的形成具有密切的關聯(lián);而兩親性嵌段共聚物和膜蛋白的自組裝和其所導致的紫膜表面所形成一層聚合物涂層可能是這一非常顯著的延長效應的原因。
　　(二)進一步發(fā)現(xiàn)兩親性合成高分子對于光敏膜蛋白的影響程度與蛋白質或膜脂種類有關。研究了嵌段共聚物Pluronic對膜蛋白AR4功能的影響,并與小分子去垢劑對AR4功能的影響進行比較。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過Pluronic處理后,AR4的M中間態(tài)壽命延長僅約一個數(shù)量級,與同樣受Pluronic處理

6、后BR的M中間態(tài)壽命延長三個數(shù)量級相比較,相差甚多。通過分析比較大分子表面活性劑Pluronic和小分子去垢劑Triton X-100分別對BR和AR4的M中間態(tài)的影響,提出其原因可能是由于紫紅膜中的玉紅素保護了AR4蛋白質,使得AR4蛋白質分子具有相對較高的穩(wěn)定性。
　　(三)綜合運用兩親性共聚物水凝膠包埋與BR基因工程突變技術,制備了迄今為止在高水含量條件下具有最長M中間態(tài)壽命的含細菌視紫紅質的功能材料。我們合成了F127-D

7、A大單體并將其首次用于包埋BR并采用紫外光交聯(lián)技術制備了復合水凝膠材料。對Pluronic大分子進行末端基丙烯酸修飾并不影響其與膜蛋白之間的自組裝作用。向突變體BR-D96N溶液中加入嵌段共聚物F127-DA進行改性,并通過光交聯(lián)大單體制備復合水凝膠材料,并且將膜蛋白的M中間態(tài)與基態(tài)之間的光致變色效應延長到半個小時以上。據(jù)我們所知,這是在高含水體系中最長的記錄。
　　(四)制備了光敏蛋白與合成高分子的系列復合膜,并通過合作研究證實

8、,復合膜具備信息存儲和處理的功能。將膜蛋白包埋于具有良好光學透明性和加工性能的聚合物基質中制各了復合膜材料并進行了初步的光學性能檢測。我們通過基因工程技術成功去除了由菌株xz515中所提取到的野生AR4膜蛋白周圍脂環(huán)境中的玉紅素,優(yōu)化了AR4的光致變色性能;同時獲得了突變體BR-D96V,提高了BR的光學性能。我們首次初步嘗試制備單聚體分散的細菌視紫紅質/聚合物復合膜,采用具有良好生物相容性的聚氧乙烯-二丙烯酸酯(PEG-DA)大單體作