生物膜融合蛋白质分子结构与动力学的时间分辨非线性光谱研究

The study on the molecular structure and dynamics of fusion protein during membrane fusion is a novel frontier physical chemistry problem in the interdisciplinarity between chemistry and bioscience. Yet it is still one of the most challenging problems due to lack of effective techniques that can explicitly determine the intermediate molecular structures of fusion protein during membrane fusion. Consequently, the detailed membrane fusion mechanism remains elusive so far. In this project, a time-resolved ultrafast spectroscopy system, which combines polarized evanescent wave cavity ring-down spectroscopy and femtosecond infrared broadband sum frequency generation vibrational spectroscopy, will be developed to synchronously characterize the interfacial molecular structures and dynamics at the millisecond time scale. Using virus fusion proteins as the models, we will apply this time-resolved system to study systematically the interaction between fusion peptide and cell membrane, as well as investigate how the fusion protein conformation and the intermediate structures of cell membrane change during membrane fusion. The molecular structures of fusion protein determined by measuring the amide I, amide II, amide III and Amide A signals of the protein backbone stretching will be correlated to the intermediate structure of cell membrane. Results from this research will provide us with a molecular-level understanding on how the fusion peptides play a key role in membrane fusion and how the fusion protein molecules change the structure and shape of cell membrane, and thus further provide an in-depth insight into the nature and rules of membrane fusion processes. The results from this project will provide important clues to design and develop novel vaccine to prevent the invasion of viruses such as influenza, HIV and hepatitis, as well as design new methods for drug delivery.

生物膜融合过程中融合蛋白质分子结构与动力学行为是化学与生物交叉学科中的一个新兴物理化学前沿科学问题，因缺乏表征膜融合过程中的融合蛋白质分子结构的有效手段，目前对膜融合详细机理仍缺乏了解。本项目拟发展一套能同时快速表征界面分子结构与动力学行为的偏振衰减光腔衰荡光谱与飞秒宽带红外和频光谱联用的毫秒尺度时间分辨超快光谱系统，结合申请人最近发展的界面蛋白质酰胺I和酰胺III等多谱带表征技术，以病毒融合蛋白质分子为模型，系统地研究融合多肽与生物膜作用过程，以及膜融合过程中融合蛋白质分子构象和生物膜结构的瞬时变化过程。将融合蛋白质分子结构与融合过程中生物膜中间态结构关联起来，从分子水平上理解融合多肽如何对融合机理产生作用，理解膜融合蛋白质分子如何改变生物膜结构与形状，从而更加深入地认识膜融合过程的本质与规律，最终为研制出能阻止流感、HIV、肝炎等病毒入侵的疫苗以及为设计新的药物传输方法提供新思路。

生物膜融合过程中融合蛋白质分子结构与动力学行为是化学与生物交叉学科中的一个新兴物理化学前沿科学问题，因缺乏表征膜融合过程中融合蛋白质分子结构的有效手段，目前对膜融合详细机理仍缺乏了解。本项目围绕如何发展快速测量界面蛋白质分子结构与动力学的超快光谱系统来精确表征融合蛋白质在不同时间节点下的动态分子结构这一科学问题，拟发展一套毫秒尺度时间采谱的飞秒宽带红外和频光谱系统，完善界面蛋白质酰胺I和酰胺III等谱学指纹区表征技术，系统研究膜融合等蛋白质的分子结构与动力学行为。我们成功发展了国际先进的振动态选择激发-和频光谱探测的飞秒时间分辨测量系统。该系统的技术指标代表当前国际最先进水平：时间分辨度100 fs，光谱分辨度≤5 cm^(-1)，光谱能量范围从600 cm^(-1) 到 4000 cm^(-1)可调。实现目前文献报导中最快的和频光谱采谱速度，最快可在18毫秒采集一张光谱。揭示了短链多肽引起生物膜的聚集和融合行为的规律；建立了用于探测界面蛋白质结构和动力学的完整谱学指纹区，发展出表征界面蛋白质无规卷曲与α-螺旋结构之间转变的探测方法；揭示了磷脂种类和pH值调控流感病毒、融合蛋白和hIAPP等蛋白质在生物膜上的结构演变机制；揭示了界面蛋白质酰胺键的超快振动能量转移速率和途径。各项工作按计划顺利并完满完成，目前已在JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Comm., J. Phys. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys.等国际著名SCI期刊上发表研究论文15篇，全部标注课题号。项目负责人还被邀请在国内外多个专业学术会议上作邀请报告，并荣获2017年度中国化学会张存浩化学动力学青年科学家奖。项目执行期间，培养博士2名、硕士5名，完满实现项目的既定目标和任务。发展的技术有望在医学诊断和材料表面、材料组装研究方面发挥重要作用。