应用自制生物原子力显微镜研究FGF21/FGFR1c复合物的识别结合特性

Because of its potent ability to regulate glucose, lipid and energy homeostasis, and its superiority compared to insulin in drug side effect, fibroblast growth factor 21 (FGF21) has generated a lot of interest recently as a potentially powerful therapeutic agent for treating the type II diabetes. However, relative little is known about the interaction force and interaction dynamics of FGF21 and its receptor FGFR1c at the plasma membrane, which is important for the molecular elucidation of the FGF21/FGFR1c interaction and its function in the regulation of the type II diabetes. In this work, on the base of the experience I have accumulated during the studies of the interaction properties of several kinds of cancer targeted drugs with a commercial AFM setup, and the magnetic force microscope our group constructed successfully with a higher speed amplitude modulation using tips with high Q values (HQAM-MFM), we will do slight improvements of the core of the microscope to transfer the HQAM-MFM into a new biological HQAM-AFM. The new AFM setup will be used to study the binding property of the FGF21/FGFR1c complex at the single molecular level on living cell surface, paving the way for the deeper research revealing the regulation mechanism behind the specific binding of the FGF21/FGFR1c complex.

成纤维细胞生长因子21（FGF21）具有与胰岛素类似的糖脂代谢调节能力，但在用药副作用方面优于胰岛素，有望成为治疗II型糖尿病的新一代蛋白质类药物。但是，目前对FGF21调控II型糖尿病代谢的分子机理仍不清楚，尤其是缺乏在活细胞表面FGF21与其靶向受体FGFR1c之间的识别作用力以及识别过程动力学方面的研究数据，极大地阻碍了对其分子作用机理的深入研究。本项目中，申请人基于利用商业原子力显微镜（AFM）研究多种药物分子的识别结合特性而积累的理论和实践经验，以及本课题组成功研制的具有自主知识产权的高灵敏新测法的高Q快调幅磁力显微镜（HQAM-MFM），拟将HQAM-MFM改装为生物HQAM-AFM，并应用于在活细胞表面原位探测FGF21/FGFR1c复合物在单分子层面上的识别作用力和识别动力学过程，为在更深层次上阐释FGF21的分子识别机制提供支持。

本项目改装实验室现有的主要用于超高真空、超低温、强磁场等极端条件的具有自主知识产权的高Q快调幅磁力显微镜（HQAM-MFM），使其成为适用于室温溶液环境的生物原子力显微镜HQAM-AFM，可应用于细胞表面进行原位测量，以及研究单分子层面上的识别作用力和识别动力学过程，为更深层次上阐释分子识别机制提供支持。. 本项目从生物原子力显微镜关键零件研制和活细胞表面原位活体测量两方面入手，先后研制了：自配合大推力高对称性的压电粗逼近马达，该器件具有推力大、行程大、对称性高、刚性强、工作温区大的优点；双管嵌套的惯性压电马达，该器件可大幅缩小扫描隧道显微镜尺寸；旋转压电马达，该器件具有对称性高、结构简单牢固、低速大扭矩、定位精度高、可自锁、无电磁干扰的特点，特别适用于变温与极低温条件下的应用；可换针换样的高真空低温扫描隧道显微镜，该设备可在真空环境中更换探针和样品；二维移动压电平台，该器件具有结构简单、推力大、移动范围大等特点；基于Fabry-Perot干涉原理的全光纤溶液原子力显微镜（AFM），该设备特别适用于溶液中的细胞表面成像；利用高灵敏磁力显微镜从微观层面上系统研究了畴壁的物理性质及其在相分离过程中扮演的重要作用；自研二维移动压电平台在自研 AFM装置大范围搜索目标细胞中的应用。虽然本项目在硬件研制上取得众多成果，显示出极具潜力的应用前景，但还需要立足自研装置开展大量的细胞原位测量研究和验证，以期赶超世界先进。. 在本项目的支持下，执行团队共发表SCI文章7篇，申请中国发明专利6项，其中1项已经获得了授权。