仿生膜中带电物种在电场中运动行为研究

在生物膜环境下利用膜的流动性来分离并在线研究膜蛋白的结构和功能，将对膜蛋白的研究产生重要影响。根据此领域目前存在的主要问题，本课题的研究内容主要为：第一，构筑距离基底较远的仿生膜阵列，这将有利于跨膜蛋白的重组，也可有效避免固体表面对蛋白的变性作用。第二，利用布朗棘轮（Brownian rachets）的限制作用，在交流电场中分离仿生膜中的带电物种。利用有限元模拟软件来模拟带电物种在交流电场中同时在布朗棘轮作用下的行为，从而找到优化的布朗棘轮结构，进而在实践中解决目前直流电压不能过高及分离效率低下等问题。第三，利用磷脂"小岛"来模拟膜蛋白，研究其在电场下的行为。通过选择合适的磷脂组分，在流动态磷脂膜中构筑晶态的"小岛"；通过改变相转变温度较高磷脂和带有电荷的高相转变温度磷脂在膜中的比例来分别调节"小岛"的体积和电荷数，进而掌握影响膜蛋白在膜中运动的因素，最终实现其在膜环境下分离与检测。

膜脂是生物膜的结构骨架，膜蛋白则是生物膜功能的体现者。生物膜中含有大量蛋白质，它们直接参与物质的转运，目前80％临床使用药物的靶点都集中在膜蛋白上。膜蛋白的结构解析既是国际的研究热点，也是难点。目前用来分离膜蛋白的手段大都比较苛刻，而且当膜蛋白从膜环境中分离出来后，其部分功能会丧失，因此如果能在膜环境下利用膜的流动性来分离膜蛋白并同时进行膜蛋白的结构和功能的研究，将对膜蛋白领域产生极为重要的影响，这是本课题的出发点。因为这个目标具有长期性和艰巨性，本课题不可能彻底完成它, 所以我们对当前这个方向存在的几个具有重要意义的难点进行了研究，为膜蛋白在膜环境下的分离和功能研究奠定基础。本项目研究了利用光刻技术制备仿生膜阵列的方法, 包括两类：1）在聚苯乙烯表面构建了生物膜阵列，2）首次利用聚电解质膜作为障碍物制备了仿生膜阵列，并且发现仿生膜具有良好的流动性，为膜中带电物种的分离提供了有效平台。另外利用共平面指状电极制备出巨型磷脂泡囊，并绘制了相图，为制备远离基底的仿生膜提供了大尺寸泡囊。同时对布朗棘轮在浓缩带电磷脂方面进行了研究，发现不对称锯齿状的结构能够浓缩带电磷脂。对于磷脂小岛的工作也进行了深入的探讨，已经制备出具有磷脂小岛结构的支撑磷脂双层膜和巨型磷脂泡囊。本项目还对仿生膜以及传感器相关的工作进行了研究，包括中药成分黄芩素和黄芩苷与磷脂膜的作用、仿生膜相关的钾离子和过氧化氢传感器、利用空间受限的方法简单且灵活地构建表面化学梯度的方法、沟槽结构对两种液体的混合效率的提高作用、纳米材料HepG2免疫传感器等。由本项目资助发表论文和专著12篇，影响因子大于5的5篇，影响因子总和约为43；申请了8项国家发明专利，已授权1项。本项目的实施拓宽了仿生膜阵列的制备方法，实现了带电物种在膜中运动的操控，为膜蛋白在膜的环境下分离奠定了基础。