蛋白质折叠的单分子力谱研究

蛋白质折叠问题既与很多疾病相关，也是生命科学中非常重要的基础问题。传统的基于宏观层面上的实验研究极大地丰富了我们对蛋白质折叠机理的认识。单分子实验方法的可以进一步对一些特殊折叠行为如下山式折叠、天然态中的不同构象微态的存在、误折叠和辅助因子介导的折叠和结合的协同等的机理研究提供独特的视角。本项目将借助基于原子力显微镜的单分子力谱这一新颖的研究手段，结合蛋白质工程和分子动力学模拟，以一些典型蛋白为模型，来研究这些特殊的蛋白质折叠行为。我们将从单分子的角度观测在折叠或者解折叠态中少量存在的特殊构象，捕捉折叠过程中瞬间存在的折叠中间态，甚至观测出同一蛋白质分子的不同的折叠路径，从而丰富人们对蛋白质折叠的认识。在此基础上，我们将进一步定量测量这些特殊折叠的动力学，从实验上刻画出这些蛋白折叠的能量面的形貌，从而在能量面的层次揭示出这些特殊折叠行为的物理根源。

蛋白质折叠是生物与物理交叉研究方向的重要问题。蛋白质折叠是生物分子自发、精密自组装的典型代表。本项目通过基于原子力显微镜的单分子力谱，研究了多种有着特殊折叠行为的蛋白在受力下的解折叠和折叠的物理机制，研究了含金属离子的蛋白折叠和解折叠受外力的调控，并收到蛋白质错误折叠形成淀粉样聚集的启发，设计制备了多种可自组装的多肽水凝胶，研究了其力学特性与序列之间的关系，以及对其力学特性的调控。这些研究既丰富了人们对蛋白质折叠机理的认识，也为模仿蛋白质的折叠、聚集机制来制备功能生物材料奠定了基础。.重要的研究结果包括：1.提出了在生物体内，许多蛋白质分子处于受力环境，其折叠与功能均收到外力的调控的思想。我们发现凝溶胶蛋白的折叠与构象变化在10pN的外力存在下与不受力的情况存在显著差异，这为体内凝溶胶蛋白的激活机制提出了新的解释。2.针对GolB蛋白中动态的金硫键的形成机制进行了探索，发现蛋白质的微环境可以显著调控金硫键的力学强度，从而使得它在金的转运蛋白GolB中更加“动态”。这一研究丰富了我们对金属蛋白折叠、构象的认识。3.揭示了单个亚基的PAS-B蛋白的复杂折叠机制，发现其存在多种折叠路径。4.系统研究了多肽自组装能量面与蛋白质折叠之间的异同，发展了基于原子力显微镜成像的测量单根自组装纤维力学特性的实验方法。.本项目执行期间，共发布相关SCI论文14篇，包括Nature Communications 1篇，JACS 1篇。参加国际国内会议10人次，作邀请报告4人次。本人获得2014年国际纯粹与应用物理协会 C6 青年科学家奖。培养博士生3名，硕士生2名。