蛋白质分子二维晶体的场控自组装研究

与其他蛋白质分子膜相比，蛋白质二维晶体具有最大的长程有序性，可在很多应用中呈现更为优异的性能。然而，迄今为止，直接在固体功能材料表面组装大面积、高质量的蛋白质二维晶体，依然是一个亟需解决的科学难题。本项研究以S-Layer蛋白和铜金属硫蛋白为模型体系，首次将场控自组装技术应用于蛋白质分子二维结晶过程的精密调控：（1）外加法向电场，不仅克服了蛋白质分子二维结晶的关键难点-蛋白质分子有序排列所需的侧向移动，而且还对蛋白质分子的界面取向加以控制；（2）采用静态光散射在线分析技术，来揭示电场调控的蛋白质分子二维结晶机理，完备蛋白质分子二维结晶的理论体系；（3）研究蛋白质二维晶体的导电特性及电子输运机理，并试制以蛋白质二维晶体为功能组件的新型生物电子器件。此系统性的创新研究，为蛋白质分子二维结晶机理的探索，以及蛋白质分子在新一代有序纳微结构、生物电子器件中的应用开辟了新的途径，具有深远的意义。

生物纳米技术的快速发展已为纳米材料开辟了更为广阔而崭新的应用领域，带有生物与纳米特征的生物纳米材料的研究，已取得了很大进展。利用分子自组装可以从分子设计出发，由下而上（bottom-up）制备新型纳米材料。蛋白质分子是最好的天然生物纳米材料之一，具有内在的自组装能力、高选择性和生物相容性，其自组装体系既保持了蛋白质的生物功能，又实现了在分子水平上控制分子排列，因而必将在更多领域获得应用。大量研究结果表明，蛋白质纳米二维结构，通常不能在较大尺度上保持长程有序，即具有各种各样的缺陷，这些缺陷的存在进而显著影响其特性和应用。..迄今为止，直接在固体功能材料表面组装蛋白质二维结构，依然是一个亟需解决的科学难题。本项研究首先以酯酶BioH为模型体系：（1）制备了两种固体功能材料－磁性纳米颗粒，即表面含有酰基叠氮基功能基团的磁性纳米颗粒和表面含有酰基叠氮基与羟基双功能基团的磁性纳米颗粒（Pol(EA/AA)-MNPs和Pol(EA/AA-VAc/HO)-MNPs）；（2）通过共价结合法将BioH定向组装在磁性纳米颗粒表面，形成易于定向分离的蛋白质二维结构；（3）研究了固体功能材料的表面性能对二维蛋白质结构的蛋白质组装量、酶活保留值、酶学动力学、温度稳定性、pH稳定性以及重复利用性的影响。结果表明，Pol(EA/AA)-MNPs表面含有酰基叠氮基基团，平均粒径为119 nm；Pol(EA/AA-VAc/HO)-MNPs表面含有羟基和酰基叠氮基双功能基团，平均粒径为121 nm，其表面组装了BioH分子的新结构的平均粒径分别为219 nm和235 nm。后者表面的酶其活力保留值为70%，明显大于前者表面的酶的活力保留值为30%，即BioH分子以定向方式、通过共价结合有序组装在Pol(EA/AA-VAc/HO)-MNP的表面。新型二维结构的热稳定性和pH稳定性也得到了明显的改善。除此之外，本项研究亦以米黑根毛霉脂肪酶RML为模型体系，将其分别组装在Pol(EA/AA-VAc/HO)-MNPs、BN-AN树脂、D101树脂和NKA-9树脂的表面。结果也表明，自组装蛋白的温度稳定性、pH稳定性、存储稳定性、重复利用性均得到了明显提高。这些研究结果，进一步揭示了生物纳米二维结构的自组装机理，为其应用提供了重要的技术支撑。