生物大分子拉伸力谱并行测试方法的研究

The functions of biological molecule are determined by its constituents and the conformation. As one of the most valuable symbols, the dynamic characterization of the molecule is a basic and straightforward way to reveal the complexity and diversity of biology. To achieve the biological molecule’s dynamics, manipulating biological molecule and obtaining its physical and chemical properties in single molecule level are needed. However, the state-of-art methods mainly deal with one or several biological molecules at one time. Low efficiency of the current techniques blocks a further development on the research of biological single molecule. Furthermore, one-by-one measurement is not suitable to study the otherness along different biological molecules..A new method to measure the tension force spectroscopy in parallel for multi biological macromolecules is proposed in this proposal. It can simultaneously measure the force spectroscopies of up to tens of biological molecules and, of course, will vastly improve the efficiency and productivity of the research on single molecule dynamics. The main contents of the proposal are the following: (1) to develop a centrifugal force based Pico-newton resolution manipulation and measuring technique for single molecules; (2) to develop a microscopic digital holography based method to trace and measure the position of micro particle with nanometer resolution; (3) to investigate the parallel measurement of the force spectroscopy using typical biological molecules; (4) to design and build a compact optical-mechanical system for the new parallel measurement.

生物分子实现功能不仅与其组分和构象有关，而且其动力学特性更是决定性因素。生物分子动力学研究是在单分子水平上对生物分子进行操纵及相关物理和化学特性的测量，是揭示生物复杂性和多样性的最底层手段。然而，目前的测试手段只能对单个或少数几个生物分子动力学特性进行测量，不仅在效率上严重制约了生物单分子应用技术的发展，而且逐个检测的方式也无法可靠地对生物分子动力学特性的差异性进行测量。.项目提出一种新的生物大分子拉伸力谱并行测试方法，可在一次测量中同时获得数十个生物大分子拉伸过程中的力谱信息，这将会给生物大分子动力学研究方式带来质的变化。针对该研究目标的实现，拟开展的主要研究内容包括：（1）基于离心力的皮牛量级的单分子力拉伸控制与测量方法；（2）基于数字全息显微术的微粒三维纳米级位置跟踪、测量方法；（3）典型生物单分子研究体系力谱并行测试实验方法的探索；（4）紧凑型高精度光学机械系统的设计与制造。

生物大分子拉伸力谱并行测试方法是在单分子水平对生物分子进行多目标操纵与动力学特性测试，研究生命基本过程、仿生材料、疾病产生机理等生命科学的基础研究内容。本项目围绕这一主题，开展生物大分子动力学特性测试方法与仪器的研究工作，研制了基于数字全息显微技术的生物大分子并行力谱测试技术与系统，实现施力范围涵盖从1pN到2000pN，微球位移测量分辨力优于2nm，并行测量样品数大于10组等性能指标，并对双螺旋DNA链、蛋白质大分子链（NuG2、TOP7）等生物样品的力谱数据进行了系统地测量。主要研究成果包括：1）提出、设计并实现了基于旋转离心力的大通量生物分子拉伸测试方法与系统，解决了高速旋转条件下机械形变/蠕变、空气动力学、风噪、振动等难题，样品从静止到最高转速状态下的相对位移变化量控制在100nm以下，为分子力谱测试奠定了基础；2）创新发展了基于数字全息显微技术的液体环境微粒三维纳米级位置跟踪与测量方法，提出了离轴、正交轴、单轴等多种全息测量与数据处理方法，有效解决了液体环境微球定位速度慢、精度低，易受干扰等问题，显著提高微粒的定位和跟踪精度，采用多核心并行运算算法，实现了10组及以上目标并行实时测试的功能；3）发展了基于基片-配体-蛋白质-配体-微球的链状生物分子测试样品，建立了单分子力谱样品制备平台，为并行测量的顺利实施提供了可靠的样品；4）发展了基于分子结构的生物大分子动力学模型，对多种分子样品（DNA链、NuG2、TOP7）等进行了系统性测试，完善了利用力谱测量曲线研究生物分子结构与动力学特性的分析方法。项目的研究成果已发表SCI和EI论文13篇，申请发明专利4项，并有23人次参加了十余个国内外本领域高水平学术会议，为生物分子动力学特性的研究提供了一种新的并行测量方法与仪器，有效解决了测量效率与测量精度间的技术矛盾，促进了单分子水平生命科学测量技术的发展。