31P和19F NMR在细胞内游离镁离子测定中的研究

目前有多种分析方法可以测定生物细胞内镁离子的浓度,但这些方法都有一定的弊端,需要将细胞破坏,而且不能进行连续的测定. 核磁共振（NMR）方法是一种可以对活细胞、组织等进行无损伤的测定的技术,允许在较长时间内连续进行观察,可以同时考察胞内、胞外离子浓度. 核磁共振测定生物细胞内镁离子的³¹P NMR 和¹⁹F NMR方法近年来多应用于临床医学、生物分析等方面.      

单分子荧光检测在生命科学中的应用

文章对单分子荧光检测在分子马达、离子通道、信号分子、蛋白折叠、蛋白构象变化动力学、酶活性反应、细胞过程实时观察等生命科学领域中的应用进行了介绍.这些研究结果表明,单分子荧光检测在研究生物大分子的活动规律与机制方面不但有着无法替代的优越性,而且有着广阔的发展空间.     

模型化研究药物小分子阻滞细胞周期

基于扩散动力学与细胞信号传导动力学,研究药物小分子对细胞周期的阻滞特性.理论模型考虑药物小分子穿越细胞膜输运的动力学特性,以及进入细胞内的药物分子对细胞周期的阻滞效应.研究发现,穿越细胞膜内层进入细胞内的药物分子,将会在很大程度上决定药物分子对相关的靶向基因、蛋白的阻滞功效.细胞膜对药物分子的输运特性,是影响药物分子阻滞细胞周期的关键因素.另外,药物分子的降解程度,将会改变药物分子与靶向基因、蛋白作用时间,进而改变对相关细胞生长增殖的抑制效应.通过对模型中各参数的敏感度分析,我们确认了药物分子穿越细胞膜、进入细胞内过程的多种因素对细胞周期的抑制效应.本文理论结果符合模拟、实验观测,进一步深刻揭示了药物小分子阻滞细胞周期的物理机制,可为设计确切的疗法药物提供必要的参考和新方案.     

活细胞中的化学物理-光学观测和控制细胞内信号转导（英文）

在活细胞拥挤的微环境中生物大分子之间存在着不间断的物理和化学相互作用.细胞功能直接取决于其内部的分子组成和分子间相互作用.不仅不同种细胞之间的化学和物理性质千差万别,同一细胞内的物理特性也会受环境影响不断产生动态变化.而这种动态变化的化物特性对于细胞适应环境的改变至关重要.通常环境的改变会引起细胞产生不同响应,比如改变其基因的转录和翻译.是否形成正确的细胞响应取决于细胞对外部环境信息的准确解读.而这种解读通常是通过细胞内信号转导途径来实现.一个化学或物理的信号会通过刺激一系列细胞内的生化反应将外部环境的信息准确地传递到细胞内部.由于信号传导过程经常需要穿跨各亚细胞空间的复杂路径,所以细胞内信号转导的实际功用就是一座连接外部环境与细胞内部的桥梁.了解信号分子在细胞微环境中的化物状态将有助于阐释细胞功能.当今实验和理论工具的发展已使得在活细胞这样的微环境中探索纷繁的分子化物性质成为可能.本文总结如何利用新兴的光学显微镜和光遗传技术去观测甚至控制生物信号在细胞内的传导过程.确信这些技术已经为精确控制生物体中分子的化学和物理性质提供了前所未有的机遇.希望本文可以为有兴趣研究生物和医学问题的化学物理研究人员抛砖引玉.     

荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像(FRET-FLIM)技术在生命科学研究中的应用进展

细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。然而,利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。光学技术的快速发展,为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具,其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势,如：实现对活细胞的实时“可视化”研究,同时具有高时空分辨率;检测更加灵敏、结果可信度高;且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识,对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊,同时归纳了其在蛋白相互作用、细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展,最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势,以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。     

量子点的荧光特性在生物探针方面的应用

量子点具有传统有机荧光染料无可比拟的光学魅力,在生物医学及材料领域已引起广泛的兴趣,许多科学工作者在量子点用于生物学领域方面已经取得一定进展。目前,量子点最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光标记物。通过观察量子点标记分子与靶分子相互作用的部位,及其在活细胞内的运行轨迹,可能为信号传递的分子机制提供线索,从而为阐明细胞生长发育的调控及癌变规律提供直观依据。文章介绍了量子点研究生物大分子之间的相互作用、生物大分子荧光标记、细胞及生物组织的荧光标记与成像以及活体成像等方面的应用。并概述了纳米量子点作为生物荧光探针的应用前景以及亟待解决的问题。     

近红外光刺激神经细胞钙离子光激活

钙离子(Ca~(2+))是细胞的主要信息传输通道,研究Ca~(2+)激活对阐述亚细胞层次生物过程具有重要意义,光激活是目前研究细胞内Ca~(2+)传输和控制的主要方式之一.本文利用近红外脉冲激光刺激标记有金纳米棒(gold nanorods, GNRs)的人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)的Ca~(2+)信号传导,并利用钙离子指示剂(Fluo-4,AM)对其进行双光子荧光成像.实验采用功率为0.5 m W,波长为800 nm的激发光,平均10 s就可实现Ca~(2+)光激活,标记GNRs的神经细胞Ca~(2+)释放速度是未标记GNRs的6倍.研究结果表明GNRs通过局域表面等离子体共振将脉冲激光瞬间转化为热量,改变膜电容,使细胞膜去极化并引发动作电位,使细胞外Ca~(2+)流入,证明了借助GNRs来增强神经细胞Ca~(2+)激活的可行性,为神经细胞离子通道研究提供了一种光学手段.     

基于生物阻抗谱的细胞电学特性研究

生物阻抗谱是一种非侵入式、免标记、能够定量分析的检测技术,将其应用于生物细胞及组织的生理、病理分析中具有很大优势.本文采用数值仿真的方法研究了单细胞电学特性与其结构之间的关系,并通过实验进行了验证.根据细胞的生理特征,依据细胞的双壳模型与单壳模型理论分别建立了不同种类细胞的电学模型,研究了细胞种类、细胞膜、细胞核对细胞电学特性的影响.数值分析结果表明:1)细胞结构尺寸的变化引起细胞电学特性的改变,因此,依据细胞电学特性能够准确实现细胞分类; 2)柯尔-柯尔(Cole-Cole)图上高频与低频的两个半圆弧分别是由细胞质或细胞外液的离子极化、细胞膜与细胞外液之间的界面极化引起的;3)细胞核大小对测量阻抗的影响主要在低频段,是由细胞核与细胞内液的界面极化引起的,当存在细胞膜且当细胞核的核质比小于0.25时可忽略其影响.为验证仿真结果,对20%不同活性的酵母菌进行了实验.实验结果表明,运用本文建立的细胞电学模型,可以准确检测细胞的不同活性.该方法对实现细胞的精准电阻抗检测提供了理论依据,具有重要的应用价值.     

磁共振分子影像技术

磁共振分子影像技术是磁共振成像研究领域中最新的发展方向，它是利用磁共振成像为手段来无创伤地研究活体条件下生物细胞内的正常或病理状态下的分子过程的技术. 目前磁共振分子影像技术还处于其发展的初级阶段，但它在临床医学和基础研究中都具有非常广阔的应用前景，因而发展迅速. 文章综述了近几年来国际上磁共振分子影像技术的发展概况，并简要介绍了几类磁共振分子影像常用技术和其中所用到的分子探针.     

仿生智能单纳米通道的研究进展

自然界的生命体经过亿万年的进化几乎完成了智能操纵的所有过程,向自然学习是智能新材料和新体系发展的永恒主题.生物学纳米通道,典型的如水通道和离子通道,在细胞的基本分子生物学过程中发挥着重要的作用.目前,仿生智能单纳米通道主要是从不同外场响应(pH值、温度、离子等)来开展研究.文章主要结合作者所在课题组的最新研究进展,对受水通道和离子通道启发的仿生智能纳米通道系统的研究工作做一简要综述和展望.     

基于AMOEBA可极化力场研究蛋白二聚化对于gramicidin A通道电导的影响

在离子通道性质的研究中,由于可极化力场计算量巨大,长期以来使用最广泛的依旧是经典力场. 本文考察了可极化力场在描述离子通道gramicidin A(gA)二聚状态下离子输运性质方面的可靠性. 利用AMOEBA可极化力场对单通道gA和双通道gA进行增强采样模拟,从电导、扩散系数和自由能等方面描述了gA二聚化对钾离子和钠离子穿越通道过程的影响. 计算结果显示,可极化力场模拟获得的钾离子和钠离子穿越通道的电导与实验数值吻合. 进一步的数据分析揭示了蛋白质二聚化影响gA通道离子输运性质的分子机制,即蛋白二聚化通过调整gA蛋白周围的环境(磷脂头基、通道外离子和体相水分子的分布)而不是直接调整gA蛋白的构象来加速钾离子和钠离子穿越通道.     

含单个色氨酸的多肽分子的荧光特性研究:pH及金属离子的响应

由于金属离子包括铜离子对人体的重要性,报道了一种含单个色氨酸的新型多肽分子(WDAHSS),证明利用这种分子可以通过荧光光谱测量的方法实现铜离子灵敏检测。WDAHSS的荧光由其包含的色氨酸残基的本征荧光贡献,易被铜离子猝灭。通过分析铜离子在不同pH值条件下与WDAHSS作用的荧光光谱并与单个色氨酸分子的光谱相比较,详细研究了铜离子猝灭WDAHSS荧光的机理。研究表明,WDAHSS结构中的组氨酸通过金属配位与铜离子作用,并联合肽键形成稳固的四方形平面结构,螯合铜离子,致使色氨酸残基发生荧光猝灭。同时详细讨论了不同pH值环境对WDAHSS荧光光谱的影响。通过荧光光谱测量和数值拟合,推测了WDAHSS和铜离子的结合常数。为了增强WDAHSS抗pH干扰的能力,特意对其氨基端乙酰化,在生理pH值范围内稳定了其荧光发射。此外,WDAHSS也采用了一些特殊设计的结构,很好地增强了它对铜离子灵敏探测的特异选择性和生物相容性。对WDAHSS的进一步研究有望用于生物体内或细胞内荧光成像检测。     

基于DNA损伤的蛋白调控网络研究

细胞生长的每个阶段都离不开蛋白质相互作用.研究细胞周期的功能、调控机理及参与调控的蛋白质之间的关系对生物工程等领域有重大的应用价值.本文通过研究电离辐射下生物体细胞的DNA损伤后,细胞内以p53为核心的扩展蛋白调控网络的功能、原理及其自修复机理,在现有蛋白网络基础上引入更多蛋白网络调控因子来建立蛋白调控网络,仿真模拟更为全面的细胞周期进程;并且从复杂网络图论和细胞周期调控两个方面分析扩展PMP调控网络的抗扰能力及自修复机理,结果表明:1)蛋白网络在对抗环境中出现的小扰动时具有较强的稳定性.但在面对蓄意攻击时网络的稳定性较差.2)受损的DNA能否被修复取决于p53蛋白的动力学行为,即低损伤与中损伤情况下,p53可诱导细胞周期进程阻滞来完成细胞的自修复;而当高损伤或过损伤时,p53蛋白浓度表现为周期振荡行为并诱导细胞凋亡.     

基于AMOEBA可极化力场研究蛋白二聚化对于gramicidin A通道电导的影响（英文）

在离子通道性质的研究中,由于可极化力场计算量巨大,长期以来使用最广泛的依旧是经典力场.本文考察了可极化力场在描述离子通道gramicidin A(gA)二聚状态下离子输运性质方面的可靠性.利用AMOEBA可极化力场对单通道gA和双通道gA进行增强采样模拟,从电导、扩散系数和自由能等方面描述了gA二聚化对钾离子和钠离子穿越通道过程的影响.计算结果显示,可极化力场模拟获得的钾离子和钠离子穿越通道的电导与实验数值吻合.进一步的数据分析揭示了蛋白质二聚化影响gA通道离子输运性质的分子机制,即蛋白二聚化通过调整gA蛋白周围的环境(磷脂头基、通道外离子和体相水分子的分布)而不是直接调整gA蛋白的构象来加速钾离子和钠离子穿越通道.     

单粒子束装置

 目前,低能离子与生物体的相互作用已成为国内外研究的热点问题之一,利用离子束对细胞加工,即对细胞进行超微加工和手术,以便有目的地在细胞内切割和拼接基因是其关键技术,但是国内现有加速器对细胞的“加工”定位精度还不够高。如果将离子聚焦到微米量级甚至更小,控制离子的射程,瞄准特定的部位,即可在细胞内做手术,对细胞核和其他细胞器进行微细加工。     

利用内禀荧光探针研究蛋白相互作用中硫氧还蛋白的氧化还原态

细胞内蛋白质的氧化还原状态直接影响细胞的增殖、分化及凋亡,而氧化还原状态的改变对调控细胞的生存或死亡尤为重要。硫氧还蛋白(Thioredoxin, TRX)是一种广泛存在于生物体内的氧化还原调节蛋白,其在细胞内氧化还原状态的变化是发挥其氧化还原调控作用的重要过程。以TRX为对象并以其中的色氨酸残基(Trp)作为内禀荧光探针,利用蛋白质定点突变、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、荧光光谱和圆二色谱等技术和方法,研究TRX与谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX3)相互作用过程中氧化还原态的变化。通过观测TRX以及突变体中色氨酸荧光光谱的变化,研究蛋白相互作用的电子转移模式以及TRX氧化态-还原态之间的相互转化。结果表明氧化态的TRX与还原态的GPX3之间存在相互作用并发生电子交换,解释了二者之间电子传递模式为GPX3将电子传递给TRX,为揭示TRX在细胞信号传递过程中的物理化学机制提供了实验依据。     

基于置换法的硫离子荧光传感器的研究及其在生物细胞成像中的应用

报道了一种基于香豆素衍生物与铜离子的络合物（C1-Cu）,可通过间接的方法检测硫离子。络合物C1-Cu的溶液中加入硫离子后,表现出明显的荧光增强响应,检测灵敏度高,检出限低达90 nmol/L;响应速度快,可实现硫离子的实时检测;荧光强度变化与硫离子浓度呈现良好的线性关系,能准确地定量分析硫离子浓度。上述络合物C1-Cu对硫离子的检测具有超高的选择性,即使在其他阴离子存在下也能高效地识别出硫离子;得益于香豆素良好的水溶性和生物相容性,上述络合物C1-Cu可实现生物细胞中硫离子的荧光成像。除荧光光谱响应之外,该体系对硫离子亦有紫外-可见光谱响应,无需借助任何仪器便可实现对硫离子方便、快捷的"裸眼"检测。     

共振拉曼光谱学在化学中的应用

引言大功率激光器,特别是可见及紫外区可调谐染料激光器的商品化,高分辨的分光系统和灵敏的检测系统的发展,以及振动和电子振动偶合理论的进展,使人们能得到很多有关分子、离子的拉曼谱带强度与激发频率依赖关系的信息,这就是在正常拉曼效应基础上发展起来的共振拉曼光谱学。当激发频率接近或重合于分子的一个电子吸收峰时,某一个或几个特定的拉曼带强度会急剧增加,甚至达到正常拉曼带强度的百万倍,并出现正常拉曼效应中所观察不到的、强度可与基频相比拟的泛音及组合振动,这就是共振拉曼效应(简称RRE)。现在共振拉曼光谱学已成为研究和检测有机和无机分子、离子、生物大分子,甚至活体组成的有力工具。     

细胞内单颗粒示踪技术的进展

单颗粒示踪（Single particle tracking,SPT）技术是应用显微镜系统对细胞内单个特定荧光或散射颗粒的定位和追踪。由于SPT能够实时监控活细胞内复杂、高度动态的组织结构的变化并提供结构—功能间的动力学关系,因此在细胞生物学上有重要的应用。本文总结了SPT的机理以及在细胞上的应用,首先介绍了SPT的动力学原理,包括单颗粒定位,轨道重建以及轨道分析,然后总结了SPT技术现阶段重点发展的光学材料及仪器,最后阐述了SPT在细胞膜、细胞内信号通路、分子转运机制、遗传信息表达以及病毒感染机制的应用。此外,本文还对SPT技术未来的发展进行了展望。     

基于置换法的硫离子荧光传感器的研究及其在生物细胞成像中的应用（英文）

报道了一种基于香豆素衍生物与铜离子的络合物(C1-Cu),可通过间接的方法检测硫离子。络合物C1-Cu的溶液中加入硫离子后,表现出明显的荧光增强响应,检测灵敏度高,检出限低达90 nmol/L;响应速度快,可实现硫离子的实时检测;荧光强度变化与硫离子浓度呈现良好的线性关系,能准确地定量分析硫离子浓度。上述络合物C1-Cu对硫离子的检测具有超高的选择性,即使在其他阴离子存在下也能高效地识别出硫离子;得益于香豆素良好的水溶性和生物相容性,上述络合物C1-Cu可实现生物细胞中硫离子的荧光成像。除荧光光谱响应之外,该体系对硫离子亦有紫外-可见光谱响应,无需借助任何仪器便可实现对硫离子方便、快捷的"裸眼"检测。