二维太赫兹相关光谱对水溶液中蛋白质微观动力学的研究

Terahertz (THz) spectroscopy has unique advantages in the study of biological macromolecules in aqueous solution. It provides great help for the basic research of life science. But because of the limitation of the traditional one-dimensional (1D) spectrum analysis method itself, we are facing big difficulties when we study the micro-dynamics of biological macromolecules by using THz spectroscopy. In order to overcome the difficulties, and give full play to the advantages of THz waves, in this project we introduce the two-dimensional (2D) correlation spectroscopy (COS) into the traditional THz spectroscopy, carry out theoretical and experimental research on the 2D THz COS, and apply it on the study of micro-dynamics of proteins in aqueous. Through the 2D THz correlated spectrum analysis of proteins in aqueous solution, the conformation change process and the hydration process of protein under different physical and chemical effects are revealed, the correlation and interaction pattern between different effects are obtained, the structure and dynamics process of protein and the molecular interactions with the environment are deeply understood. It provides new means and new methods for the study of protein micro-dynamics in aqueous solution. The research results have good universality, which will lay the theoretical and experimental foundation for 2D THz COS analysis of biological macromolecules in aqueous.

太赫兹光谱对水溶液中生物大分子的研究具有独特优势，为生命科学的基础研究提供了巨大帮助。但是由于传统一维光谱分析方法本身的局限性，利用太赫兹光谱研究生物大分子微观动力学时遇到了很大困难。为了克服困难，充分发挥太赫兹波的优势，本项目在传统太赫兹光谱中引入了二维相关光谱分析技术，开展二维太赫兹相关光谱的理论和实验研究，并应用于水溶液中蛋白质微观动力学的研究。通过对水溶液中蛋白质的二维太赫兹相关光谱分析，揭示不同物理和化学扰动作用下蛋白质的构象变化过程和水合过程，得出不同扰动因素之间的相关关系和作用规律，加深对蛋白质分子结构及动力学过程、分子与环境的相互作用等方面的理解，为水溶液中蛋白质微观动力学机理的研究提供新的手段和方法。研究成果具有较强的普适性，将为水溶液中生物大分子的二维太赫兹相关光谱分析奠定理论和实验基础。

二维太赫兹相关光谱技术是在传统一维太赫兹光谱技术基础上发展而来的一种强大而灵活的光谱分析技术，能够被广泛应用于分子动力学、聚合物材料、光化学反应等领域。国内外对这种技术及其应用的研究非常重视。我们针对用传统一维太赫兹光谱在研究水溶液中生物大分子微观动力学时遇到的灵敏度低和信噪比低等问题，利用二维太赫兹相关光谱分析技术对此类问题进行了深入研究。首先，我们研究了二维太赫兹相关光谱的基础理论和实验方法，基于现有的太赫兹光谱设备，设计实验方案，编制计算程序，搭建了二维太赫兹相关光谱实验系统。进而基于该实验系统，对四种不同蛋白质的水溶液进行二维相关光谱分析，分别研究了在温度和pH值扰动作用下的蛋白质构象变化，以及在浓度扰动作用下的蛋白质水合过程，获得了一些有意义的结果。结果显示，各种蛋白质在某些频段随温度的变化明显，但变化的温度点不相同，这是由不同蛋白质结构造成的；蛋白质在酸性环境下的变性和在碱性环境下发生水解的现象能从二维相关光谱图中观测到；可以通过二维相关光谱中异步光谱振动的变化顺序间接观测到蛋白质的水合过程。不同扰动因素之间的相关性分析正在进行，目前没有发现各扰动因素之间的作用规律。综合上述结果，本研究为水溶液中生物大分子的二维太赫兹相关光谱分析奠定了坚实的工作基础，同时为水溶液中生物大分子微观动力学研究提供了重要的启示性线索。