基于磁泳及介电电泳的高通量低弹性生物分子镊阵列

In this work, we propose to build high-throughput bimolecular tweezers based on magnetophoresis(MAP) and negative-dielectrophoresis(nDEP) of 1um Dynabeads®. We array the beads in high density on a chip by magnetic manipulation, and combine MAP and nDEP forces to control their positions above the chip. As such, we tether the beads to the chip surface by single molecules or molecular bonds of interest. Then we adjust the MAP force and/or nDEP force to simultaneously displace the beads away from the chip in order to applying forces on the molecules, and study the responses of many single molecules in one experiment. Comparing with existing tools, our tweezers can generate a lot more data in much shorter time and less effort, capable of supporting statistical analysis of biomolecules important to life science. In addition, because the forces can be independently and collectively adjusted, we can vary the spring constant of the tweezers and choose the most suitable stiffness of the tweezers for specific applications. In this project, we aim to create extremely soft tweezers capable of interrogating the intermediate structures of Fibronectin Type III domains during unfolding/refolding process, and study the interactions between Fibronectin and different integrins quantitatively, in order to verifying the hypothesis that different conformations of the integrin-binding region controls the cellular responses.

现有的生物大分子二维动力学参数测量技术的一个主要弱点是低通量，从而极大地阻碍了这一领域内研究的进展速度。本申请项目立足于通过磁泳(MAP)与负介电电泳(nDEP)的合力来控制多个微纳粒子在芯片表面上做平稳的面外移动，从而并行拉伸连接于粒子与芯片之间的生物单分子或分子键。本实验手段可实现高通量测量生物大分子之间的动态相互作用，为加速生命科学领域的重要生物分子研究提供大量精准的二维动力学参数。同时，本项目在双参数(磁泳力和负介电电泳力)同时可调的基础上致力于研发出极低弹性系数的分子镊，为生物大分子的精细力学及动力学研究提供有效工具。我们拟利用高通量低弹性分子镊研究Fibronectin的机械敏感肽在生物分子力作用下的中间形态与不同整合素之间的相互作用，并通过该分子镊能够提供的大量实验数据，在具有统计显著性意义的前提下验证Fibronectin机械敏感肽动态结构是介导不同细胞应答的分子机制这一重要科学问题。

现有的生物大分子动态互作二维动力学参数测量技术（比如原子力显微镜和基于生物膜的力探针等）的一个主要弱点是通量低，从而极大地阻碍了研究者对生命科学中重要大分子的生物物理学研究进展。本项目拟研发高通量低弹性分子镊，可在一次实验中对包括膜蛋白与受体之间的亲和及离解动力学参数等进行高通量精准测量，从而为加速生命科学领域的重要生物分子研究提供大量精准的实验数据，为生物力学及动力学研究提供高效的工具。.本项目通过流体动力学理论研究和介电电泳仿真分析，设计制备了一款可高通量捕获、排列和移动细胞及PS微球的微流控芯片。该芯片设计具有高度的普适性，可用于捕获、排列不同尺寸和刚度的微球。通过调节介电电泳系统的外置参数，比如输入电压及频率等，可以对微球的移动距离及加载速率进行精确控制。因而，在该微流控芯片平台上构建的生物分子镊阵列，其弹性系数可调可控，能够满足不同应用场景下的需求。特别是能够构建出比原子力显微镜或光镊等更柔软的生物分子镊，为更精细的研究分子动力学或细胞力学提供有效工具。.本项目采用微加工工艺（包括光刻、蒸镀、刻蚀、PDMS翻模等）制备了该微流控芯片，并实验验证及优化了细胞及PS微球的捕获效果，实现了100%的捕获效率，以及每平方厘米达46000个生物分子镊阵列的超高通量。通过调控加载到介电电泳电极的电压及频率，研究了基于该微流控芯片的生物分子镊的弹性系数调节，并实现了对包括细胞弹性和刚度等力学参数的高通量测量。.本项目已支持发表SCI论文7篇，国际会议文章1篇，国际大会报告1次；申请国内专利1项；培养博士后研究员1名，博士研究生2名，硕士研究生3名。.