合成高分子對視黃醛膜蛋白功能的影響及相應(yīng)功能材料的研究.pdf

1、光敏蛋白是一種將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)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(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin,BR)便是這類光敏蛋白中的典型代表。這種蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)后,其所具有的獨(dú)特性質(zhì)引起了許多科學(xué)工作者的興趣,很多科學(xué)工作者對其技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究,甚至提出了利用BR制造“蛋白質(zhì)計算機(jī)”的構(gòu)想。鑒于活性蛋白質(zhì)自身難以成為可直接投入使用的材料,為了將來能夠?qū)崿F(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(zhì)中,制作含有BR的復(fù)合材料。然而,合成高分子對于此類活性蛋白質(zhì)的影響遠(yuǎn)未得到充分研究,這限制了含有光敏蛋白的材料制備技術(shù)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(chǔ)研究課題。
　　本博士論文課題從生物和材料學(xué)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(zhì)子傳遞功能和光化學(xué)循環(huán)特性的BR和另一相關(guān)蛋白質(zhì)古紫質(zhì)4(arehaerhodposin,AR4)的影響。在此基礎(chǔ)上,綜合

3、運(yùn)用化學(xué)手段和基因工程手段對上述兩種膜蛋白進(jìn)行改性,并將其與具有良好加工性能和力學(xué)性能的聚合物材料相結(jié)合,為制備高性能的活性蛋白質(zhì)介導(dǎo)的復(fù)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(xì)菌視紫紅質(zhì)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(qū)質(zhì)子泵行為,但其光激發(fā)后的質(zhì)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(yīng);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(jié)構(gòu)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(yīng)與共聚物膠束的形成具有密切的關(guān)聯(lián);而兩親性嵌段共聚物和膜蛋白的自組裝和其所導(dǎo)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(yīng)的原因。
　　(二)進(jìn)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(zhì)或膜脂種類有關(guān)。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(jìn)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(hù)了AR4蛋白質(zhì),使得AR4蛋白質(zhì)分子具有相對較高的穩(wěn)定性。
　　(三)綜合運(yùn)用兩親性共聚物水凝膠包埋與BR基因工程突變技術(shù),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(xì)菌視紫紅質(zhì)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(shù)制備了復(fù)合水凝膠材料。對Pluronic大分子進(jìn)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(jìn)行改性,并通過光交聯(lián)大單體制備復(fù)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(yīng)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(fù)合膜,并通過合作研究證實(shí)

8、,復(fù)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(xué)透明性和加工性能的聚合物基質(zhì)中制各了復(fù)合膜材料并進(jìn)行了初步的光學(xué)性能檢測。我們通過基因工程技術(shù)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(xué)性能。我們首次初步嘗試制備單聚體分散的細(xì)菌視紫紅質(zhì)/聚合物復(fù)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