表面组装多肽结构及其抗细菌功能的研究

"The decrease of biological activity of immobilized biological molecules inclduing peptides" is one of the most vital problems in the applications of engineeringed materials or devices with active biological components. In this project, surface immobilized peptides will be investigated aimed at preventing biofilm formation. For surface immobilized peptides, in addition to the lower mobility, the possible reasons of lower activity may be because the bound peptides could not adopt an appropriate secondary structure or orientation to realize the biofunction. In this project, we will use sum-frequency-generation (SFG) vibrational spectroscopy to study structures and orientations of immobilized peptides at the solid/liquid interface with different peptide immobilization methods and with different liquid environments. Using the anti-bacterial tests, we can relate the molecular structure of immobilized peptides to their biofucntion. We will use SFG to study the structures of the tethered cell-penetrating peptides when they interact with model cell membranes or live bacteria.Through these study, we will provide in-depth understanding on the molecular mechanims of interactions between peptides and cell membranes. The acheived knowledge in this study would be helpful for the rational design of surfaces to prevent biofilm formation based on peptide surface immonilizations.

"生物分子在表面的固定会导致其生物活性降低"是生物材料和生物器件开发中面临的关键难题之一。本项目基于多肽在表面的组装，以防止细菌生物膜形成为目的进行研究。导致表面组装多肽生物活性降低的原因除了其能动性变低外，还可能是因为组装的多肽没有正确的排列取向，或不能转化成产生生物功能所需的二级结构。本项目应用和频振动光谱"原位"探测和表征固/液界面的多肽在不同组装方式，不同溶液环境中所呈现的二级结构、排列取向。通过多肽组装表面抗细菌能力的测试，我们将在分子结构层面探讨表面的多肽结构与其生物功能的关系。我们还将通过研究表面固定多肽中跨膜多肽与模型细菌细胞-磷脂囊泡、及真实细菌相互作用时结构的变化，进一步理解跨膜多肽与细菌细胞膜作用的机理。研究结果将为基于多肽组装的抗细菌表面设计提供理论指导和方法学的帮助。

表面固定多肽在表面抗菌、生物传感、生物芯片中有着广泛应用。分子结构和取向是固体表面固定多肽生物活性的保持关键因素，因而“原位”的研究固液界面的结构具有极其重要的意义。本项目中我们应用表面和频光谱技术原位的研究了在不同固定方式及界面环境下的表面固定抗菌肽的二级结构。抗菌肽经自组装单分子层链接到固体表面，我们应用SFG研究了链接分子的聚乙二醇（PEG）片段长度和多肽连接位点对固定多肽分子结构的影响。主要结果有长PEG链（PEG2K）连接的多肽分子Cecropin P1在水环境下呈现无序结构，而由短EG链（EG4）连接的多肽分子呈现α螺旋二级结构；疏水的C端固定到表面多肽呈现很好的α螺旋二级结构，而带正电的N端连接多肽分子呈现无轨结构。针对光谱的结果，我们对表面固定的多肽在不同环境下，不同连接方式的结构进行了分子动力学模拟，解释了和频光谱中N端连接多肽无明显α螺旋特征峰的原因，发现了三氟乙醇的-CF3基团靠近多肽疏水侧链形成疏水区域使得表面固定多肽呈现α螺旋结构并且具有序的分子取向。我们还应用和频光谱研究了表面固定多肽、自由多肽与不同形式下的磷脂分子相互作用，推断了抗菌肽Cecropin P1与细菌细胞膜相互作用的动力学、以及表面固定对其生物活性的影响。