核酸适配体结构与动力学的非线性光谱研究

The secondary structure and reaction kinetics of aptamers are the keys to their functions in genetic regulation, anti-cancer therapy and anti-viral therapy. In this project, a high-throughput and multi-detection characterization platform is to be built based on the picosecond sum frequency generation spectroscopy system, to investigate the secondary structure and reaction kinetics of G-quadruplex structured aptamers. Our preliminary experimental results indicate that multiple characteristic vibrational peaks of nucleotide bases can be detected within the “finger-print” region. These spectra information can be utilized to analyze the secondary structures of aptamers. The aptamer molecules are to be investigated by wavenumber resolved and polarization resolved sum frequency generation vibrational spectroscopy (SFG-VS) via chiral sensitive detection and multi-spectra detection. The polarization analyzing methods and chiral structure analyzing methods are to be developed to gain molecular insights into the structures of aptamers at different ion concentration, pH value, termperature, lipid charge density and peptide concentration. By merging multiple characterizing techniques, such as surface plasmon resonance imaging and electrochemical detections, with SFG-VS, the kinetics of aptamers can be characterized in situ and in real time. The molecular mechanisms and driving forces of aptamer-membrane interaction, aptamer-protein interaction are also to be elucidated, based on the structures, tilt angles and kinetics of aptamers during such interactions.

核酸适配体分子的二级结构变化与动力学过程是它们实现基因调控与抗癌、抗病毒治疗的关键。本项目拟基于皮秒和频光谱系统搭建高通量多尺度的分析检测平台，对G-四链体适配体分子的结构与动力学过程进行原位实时的表征，研究适配体分子结构转变的作用机理。前期实验结果表明，适配体分子在“指纹区”包含丰富的光谱信息，可以用于适配体分子的结构分析。拟利用现有的光谱分辨和偏振分辨的和频光谱系统，对适配体分子的二级结构进行多谱段表征和手性光谱表征。发展分析方法获取适配体分子的取向信息和手性结构信息，考察溶液离子浓度、pH值、温度、磷脂电荷密度和蛋白质浓度对适配体分子结构的影响。和频振动光谱与电化学检测、表面等离子体共振等方法联用，获取适配体分子与细胞膜、蛋白质分子相互作用时的动力学特征。基于核酸适配体分子在不同条件下的结构、分子取向和动力学特征，解释适配体-细胞膜，适配体-蛋白质相互作用的分子机理和关键分子作用力。

本项目通过发展和频振动光谱偏振测量方法与分析方法，研究了核酸分子与生物仿生膜相互作用的分子机理。三年的实验完成了本项目的实验计划。首先，发展了偏振分辨的和频振动光谱测量方法，更新了高分辨扫描式皮秒和频光谱检测系统的线宽理论；发展了和频光谱分析方法，用于解析核酸适配体分子取向角度和结构变化，用于分辨核酸适配体二级结构。其次，利用和频振动光谱研究了核酸分子Poly-dT25与细胞膜的相互作用，发展了针对细胞膜上生物聚合物分子的电双层理论模型。通过核酸分子在1665波数、仿生膜在3200波数处的光谱特征峰进行原位实时的探测，对正电荷磷脂双层膜与单链核酸分子相互作用的吸附动力学进行了研究。基于本研究的实验结果，发展了电双层模型下生物聚合物分子的吸附动力学理论，解释了核酸分子吸附过程与电双层厚度的关系。最后，利用和频振动光谱研究了核酸适配体分子AS1411与生物膜的相互作用。开展了核酸适配体AS1411在正电荷双层膜上的锚定构向与结合动力学研究，对AS1411形成G-四链体的分子机理进行了研究。研究发现盐离子溶液可以对双层膜上的氢键结构进行调控，进而调控AS1411的结合动力学和形成G-四链体的动力学。项目执行期间，发表国际学术论文2篇，授权发明专利1篇。项目成员参加学术会议7次，前往日本理化所田原分子分光研究组进行短期学术访问一次(73天)。培养了硕士研究生1名，培养了本科生5名。完成了项目既定目标与任务。