拥挤环境中蛋白质聚合的物理机制

构建与真实细胞中相似的拥挤环境，通过实验研究并辅以模拟计算，研究beta乳球蛋白的二聚化与淀粉状纤维化聚集过程。主要包括：通过快速动力学停流（stop-flow）等仪器设备研究beta乳球蛋白在拥挤环境中的二聚化动力学过程；研究不同环境拥挤程度、pH值、盐等对二聚化过程的影响，揭示疏水、静电、氢键等相互作用力在二聚化过程中的作用；利用荧光、紫外、TEM、AFM等设备研究beta乳球蛋白的淀粉状纤维化聚集机制；结合实验结果，用基于简化模型的分子动力学方法研究在约束体系下beta乳球蛋白聚合过程。从分子层次上探索蛋白质聚合过程的物理机制，从而为淀粉状纤维聚集相关的重大疾病的致病机理提供理论基础。

通过计算模拟和实验研究的结合，研究了beta-乳球蛋白、溶菌酶以及相关肽段的二聚化、多聚化和进一步自组装聚集的动力学过程和物理机制，并创新性地将抗癌药物引入到蛋白质自组装体系中，实现了蛋白质纳米粒子载药体系的制备。简要概括如下：1）我们研究了beta-乳球蛋白二聚化的动力学过程，得出其先二聚化再折叠的动力学过程。2）为了简化蛋白质聚合的复杂性，根据蛋白质相关肽段特征，我们设计了离子互补型多肽EMK16-II，研究了其自组装聚集的物理机制，并制备出可注射的水凝胶体系。我们还设计出具有螺旋状聚集特征的短肽EMK16-II，并研究了其由alpha-螺旋结构作为自组装结构单元聚集的动力学过程，这为其做为新型生物材料的制备提供了理论基础。3）我们还研究了在细胞生理条件下，紫外光照诱导的蛋白质变性和自组装聚集的动力学过程，发现在不同的光照条件下，蛋白质可以自组装成淀粉状纤维或者球状纳米聚集体，对其机制进行了系统的研究。此外，我们还创新性地将抗癌药物（阿霉素）引入到蛋白质自组装体系中，通过光控条件实现了“一步合成”蛋白质包裹药物的蛋白质纳米粒子载药体系的制备。我们应用物理光控的方法不仅能够实现对蛋白质和药物复合系统自组装的主动控制，还能够有效避免传统化学合成方法所引入新的杂质的不足，是可控蛋白质自组装研究的一大突破。4）此外，我们还研究了外力作用下蛋白质变构等方面的研究。.. 我们的研究展示了分子动力学模拟和实验研究的结合成为蛋白质分子相互作用和自组装聚集动力学过程研究的有效手段。我们进一步的研究将利用蛋白质和多肽分子的寡聚化以及自组装聚集的机理，合成新型生物功能材料并将其利用到组织修复、癌症治疗等实际应用中去。项目完成了预期目标，共发表论文14篇（其中SCI论文13篇，包括Adv. Healthcare Mat. 1篇，Proteins 2篇，Chem. Commun. 2篇和Biophy. J. 2篇等），申请专利3项(1项已获得授权)，项目资助的研究结果还撰写了Uversky教授主编、Elsevier出版的《Bionanoimaging》书的1章。另外项目资助的研究结果作为成果申报的重要部分还获得教育部自然科学优秀成果一等奖 1项。