基于原子力显微术的单个生物分子结构和功能的研究

Single-molecule research is the frontier area of life sciences due to its capability for detecting a small number of the hidden but truly functional middle processes and transition states in biomolecules. Atomic force microscopy (AFM) is one of the key tools for studying biomolecules at the single-molecule level because it enables us to conduct experiments in a near physiological environment.Combining with the advantages of the nano-positioning of a new "DNA origami" technology and the nano-resolution of AFM, this project intends to set up a platform for study structures and functions of bio-molecules at the single-molecule level. In the project, a antigen-antibody molecular recognition system will be investigated. Under the help of DNA origami, antibodies will be adsorbed on a surface to obtain a high resolution image of individual antibodies in liquid. As a result, by regulating arrangements of antigen molecules at the nanoscale level, the effects of distance and density of antigens on antigen-antibody reactions can be studied. At the same time, the dynamic process of reaction events can also be detected in site in order to find the characteristic and relationship between antigen and antibody.This method, which applied the precisely positioning feature of DNA origami into the investigating a single antibody structure and a single-molecule reaction in a quantitative way, is expected to provide a new way to study the mechanism of antigen-antibody reactions and provide a new perspective for single-molecule dynamics.

单分子研究有可能揭示被掩盖的真正发挥作用的生物分子极少数的中间过程和过渡状态，是生命科学的前沿领域。原子力显微术（AFM)由于具有可在近生理条件下成像的优势，是单分子研究的必备手段之一。本项目拟将全新的具有纳米级定位的“DNA折纸”与纳米级分辨率的AFM相结合，建立生物分子结构和功能的单分子研究平台。项目拟以抗原抗体特异性识别反应为研究体系，利用DNA折纸在云母表面上的特点，调控抗体分子的吸附，获取高分辨的单个抗体分子图像。在此基础上，调控抗原分子在纳米尺度上的空间排布，研究不同抗原距离和密度等条件下，对抗原抗体识别反应的影响，实现对反应过程的原位检测，阐述抗原抗体反应结合与解离过程作用的特点和规律。这种将精准纳米定位技术，应用于生物分子成像和单分子反应的定量研究方法，可为抗原抗体反应机制的研究提供新手段，有望为单分子动力学研究提供新视角。

单分子研究有可能揭示被掩盖的真正发挥作用的生物分子极少数的中间过程和过渡状态，是生命科学的前沿领域。基于原子力显微镜（AFM）的高分辨率能力和DNA折纸界面的精确定位能力，本项目系统研究了抗体IgG的结构和功能间的相关性，观测到了抗原抗体的结合过程，首次记录到了单个抗体IgG的两个抗原识别区域分别与两个抗原结合的分子识别过程，检测到了两个抗原不同距离（3-20nm）与抗体IgG反应能力的差别，发现当两个抗原距离约10nm时，其结合强度最强，结合速度也最快。AFM和smFRET的实验数据与理论模拟结果具有良好的一致性。研究结果可能对疫苗研究有一定的参考价值。 同时，本项目研究了DNA折纸界面的位置效应，比较了DNA折纸边缘与其他位置上修饰的分子与溶液中目标分子的反应能力，获得了配体受体对间的解离常数，发现了DNA折纸纳米结构的“边缘效应”。研究结果为在单分子水平上深入认识生物分子结构和功能的关系提供了帮助。