基于增强型聚集诱导发光效应的生物大分子构象检测新方法研究

There were a large amount of publications that described quantitative analysis by using fluorescent nano-probes, while there were actually few works that involved in the studies of bio-macromolecular conformation. Due to the individual differences, conformation analysis of bio-molecules required relatively higher sensitivity and sometimes even down to single molecule level. To solve the bottleneck problem, this project aims to design new nano-composite probes that can enhance fluorescent emission and decrease fluorescence background by combined with metal-enhance fluorescence (MEF) and aggregation-induced emission (AIE), so as to achieve a novel method for highly sensitive analysis of bio-macromolecular conformations. Our protocols are as follows: 1) To synthesis of new near-infrared AIE small molecules and orthotropic metal nanomaterials, and explore their optical properties and the fluorescent enhancing roles; 2) Based on the differences of bio-macromolecular conformations, such as hydrophobic cavity and surface charge, investigate the relationship between fluorescent properties and their conformation behaviors; 3) Build new system of fluorescence analysis for transformation process of bio-macromolecular conformations, including protein folding, DNA twist accumulation, amyloid fibrillation etc. In general, the achievement of this project will not only promote the development of fluorescent nano-probes, but also construct a platform for the study of bio-macromolecular conformations with AIE strategy.

纳米荧光探针在生物大分子的定量分析领域已有大量研究，但在生物分子的构象分析方面研究还不多。由于生物分子的个体差异，相比于定量分析，构象分析更加困难，甚至有时需要检测到单个生物分子。针对这一科学问题，本项目拟结合金属增强荧光效应（MEF）与聚集诱导荧光效应（AIE）各自优势与特点，设计能够实现荧光信号增强同时又有效降低荧光背景的新型纳米复合探针，并将其发展为生物大分子构象高灵敏度检测新方法。本项目研究内容概括为：1）合成近红外AIE小分子以及各向异性金属纳米材料，探究组装的新型纳米复合荧光探针的光学性质与荧光增强规律；2）基于生物大分子构象之间疏水空腔、表面电荷等差异，探究纳米荧光探针与生物大分子构象之间的特异性关系；3）建立新型荧光分析方法用于研究蛋白质折叠、DNA分子凝聚、淀粉样纤维化等生物大分子构象转换过程。本项目的研究将建立一个实用性强、灵敏度高的生物大分子构象分析平台。

本项目按照研究计划，建立了聚集诱导荧光（AIE）与等离子体基元共振增强荧光效应（PEF）相结合测定蛋白质及其构象的分析方法，取得了以下主要研究成果：（1）合成了三种不同官能团取代的、具有AIE效应的9,10-二乙烯基蒽类化合物，并将其成功耦合到PEF体系，产生二次荧光增强效果。在此基础上，结合分子对接模拟，实现了朊蛋白质的构象检测，并探究了这类AIE-PEF探针体系用于蛋白质构象检测的机理。（2）合成了同时具有聚集诱导发光增强和分子内质子转移特性的比率型AIE探针(2, 2’,4, 4’-四羟基二苯甲酮吖嗪磺酸钠盐)。利用该探针与淀粉样蛋白Aβ40进行纤维状组装，采用金纳米立方材料上AIE小分子标记的LPFFD （肽段iAβ5）解聚Aβ40原纤维，实现了对解聚Aβ40原纤维过程的构象变化监测。（3）构建了基于催化调控纳米金棒（AuNRs）刻蚀的多通道阵列传感器，可检测到7种蛋白质的构象变化。上述研究成果为蛋白质的检测及其构象变化研究提供了新思路。.项目执行期间在Anal. Chem.、Chem. Commun.、Adv. Funct. Mater. 等刊物发表学术论文36篇，申请发明专利4项（授权2项），培养博士生4人，硕士生4人。由于该研究工作所产生的影响，项目主持人还应邀在国际学术会议做邀请报告5次，特邀报告1次。圆满完成了本项目的研究目标和研究任务。