构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达.ppt

LOGO 构建“小”的艺术 从分子开关到分子马达 Abstract 背景生物分子马达1 从分子开关到分子马达2 分子马达的一些应用3 前景及展望4 背景介绍：生物分子马达 v生物体中的分子马达 生物体对光能和化学能的精确利用，产生了具有从 纳米尺度组装特点的多级有序结构，并通过在分子 水平对能量利用实现了复杂的生物功能。 背景介绍：生物分子马达 v什么是分子开关？ 定义：通过激活机制或失活机制 精确控制细胞内一系列信号传递 的级联反应的蛋白质 分类： 1、蛋白激酶使之磷酸化而开 启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸 化而关闭 2、由GTP结合蛋白组成， 结合GTP而活化，结合GDP而失 活 背景介绍：生物分子马达 v分子开关：结构变化与功能控制 v必要条件：双稳 态，即有两种完全 不同且可相互转变 的稳定结构，通过 外部刺激（非自发 、外部）使其在两 种稳态间转变。 从分子开光到分子马达 光分子旋转马达 第二代旋转马达 视觉过程 光引起蛋白质结合 视网膜分子的结合 双键发生顺-反异构 分子形变引发级联 事件，信号传递到 大脑 光分子开关 纳米阀门 第一代光驱动分子 旋转马达 分子马达在表面上 的固化 在纳米金颗粒表面 的固定 在石英表面的固定 从分子开关到分子马达 v光分子开关：信息存储 v 分子尺度进行“自上而下”路线：存在两稳态及该两态可控 转变基础，以非破坏行方法“读”出状态可作为二进制 数字系统的一个存储单元。 v 控制稳态转变光 从分子开关到分子马达 由视觉过程启发设计的一类光敏感开关分子挤迫型多烯 从分子开关到分子马达 v基于挤迫型多烯结构的光分子开关 v 螺旋结构：顺式结构-右手螺旋型，435nm光照稳定 反式结构-左手螺旋型，365nm光照稳定 顺式反式 从分子开关到分子马达 v基于挤迫型多烯结构的光分子开关 圆二色光谱 镜面对称的谱图显 示出其光学异构性 开关速度为秒级 开关的可逆过程 从分子开关到分子马达 v纳米阀门 生物膜上的通道蛋白（本文采用 E.Coil的MscL蛋白）与前述光分子 开关结合构建光调控纳米阀门 通道打开状态蛋白中心可形成 3-4nm的孔，离子与小分子可通过 构建到脂质体上，形成可控药物 载体模型，紫外光与可见光控制阀 门的开关，药物的释放与装载 从分子开关到分子马达 v纳米阀门 具有光切断性质的分子共价连接到MscL蛋白特定位置的一个半胱氨酸 残基上，光照时，分子被切断，释放自由羧基，引起阀门的打开。 但分子的切断不可逆，因此此开关不可逆 从分子开关到分子马达 v第一代光驱动分子旋转马达 Step1：光照反-顺异构 可逆过程 Step2：热交换旋转 90 不可逆过程 Step3：光照旋转90 可逆过程 Step4：吸热初始状态 不可逆过程 因此，波长280nm照， 环境温度60，分子可 持续单向旋转 从分子开关到分子马达 v第一代光驱动分子旋转马达 v 分子马达的两个光驱动过程非常快，因此决定马达转速的 为两个热过程。 v 马达上部围绕中心双键运动，下部结构可能导致对上部立 体旋转造成阻碍，从而减缓旋转速度，因此通过对下部结 构进行调整而设计了第二代光驱动旋转马达第二代光驱动旋转马达 从分子开关到分子马达 v第二代光驱动分子旋转马达 第一代与第二代旋转马转马 达结结构对对比 从分子开关到分子马达 v分子马达在表面上的固化-在纳米金颗粒表面 原理示意 圆二色光谱表征的不同旋转状态 从分子开关到分子马达 v分子马达在表面上的固化-在石英表面 分子马达的一些应用 v1、引起液晶象变化，控制微小物体的运动 v2、马达形成晶体后受外界刺激发生形变 v3、对微小物体实现长距离运输 分子马达的一些应用 v引起液晶象变化，控制微小物体的运动 液晶表面原子力显微照片参杂分子马达对液晶象变化的模型 液晶表面微小物体的运动 分子马达的一些应用 v马达形成晶体后受外界刺激发生形变 分子马达的一些应用 v对微小物体实现长距离运输 人工过氧化氢酶体系推动二氧化硅粒子 分子马达的一些应用 v对微小物体实现长距离运输 葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶偶联体系推动碳纳米管原理 前景及展望 v 我们已实现如循环运动、定向运动、物体输送、阀门开关 等功能 v 溶液中的布朗运动、工作的兼容性、多组分系统、