应用全内反射单分子荧光成像研究蛋白复合物亚基组成

细胞的生化过程大都是由蛋白复合物完成的,研究蛋白复合物亚基的组成对于了解蛋白质的结构和生物学功能具有重要的意义,然而如何准确确定蛋白复合物中蛋白质亚基的数量（stoichiometry）仍然是一个挑战.近年来,活细胞体系单分子荧光成像技术的不断发展为原位实时动态地研究蛋白质的结构和性质提供了新的手段.本文主要介绍了应用活细胞全内反射单分子荧光成像技术表征细胞膜区蛋白复合物组成的3种方法,包括单分子漂白步数分析、荧光强度统计分布以及蛋白运动分析,并结合其基本原理介绍了这几种方法在活细胞体系膜蛋白研究中的应用.     

原位冷冻电子断层扫描的发展及在生物研究方面的应用

对生物大分子复合物的研究和结构分析对于全面了解其功能和生物学意义至关重要. 冷冻电子显微镜在提供生物大分子结构及大分子分布等方面起到重要的作用. 近年来, 冷冻电子显微镜的硬件和软件的发展进一步提高了冷冻电子显微镜的有效性, 使其对各种生物结构、 蛋白质结构的解析更加准确快捷. 但是, 对于生物系统来说, 蛋白质和大分子复合物等均处于复杂的生理环境中, 因此原位检测生物分子的三维结构对于生物体系和结构生物学具有重要意义. 冷冻电子断层扫描作为一种功能强大的技术, 可以无需标记直接通过冷冻样品的固有衬度识别生物大分子的结构, 并且可在原位生理环境中对生物分子进行纳米级分辨率的三维成像. 本文综述了与冷冻电子断层扫描相关的样品制备和数据处理技术, 并总结了冷冻电子断层扫描技术在分离的大分子复合物和整个细胞或组织中的生物学应用.     

定量单分子检测研究进展

单分子检测是指在单分子水平上通过生物分子的构象变化、动力学、分子之间相互作用以及对单个分子进行操纵等方式进行检测.作为一种新型超灵敏检测手段,单分子检测在生物分子的定量检测领域有广阔的应用前景,尤其单分子荧光检测技术,近年来取得了很大进展,被广泛用于研究多种生物体系.本文对定量单分子检测的最新研究进展进行了系统综述,主要聚焦于定量单分子检测在生物标志物(包括DNA、酶和miRNA等)的超灵敏检测研究中的应用,及其在研究生物分子结构与动态、生物分子间相互作用、生物分子修饰和活细胞检测等方面的应用,本文也对定量单分子检测的发展方向进行了展望.     

单分子荧光共振能量转移用于生物大分子构象动态变化过程研究进展

生物大分子参与生命活动的各个过程,在单分子水平上实时观测和分析生物大分子自身的结构动态以及生物大分子相互作用的动态过程,对于深入理解生物大分子的作用机制具有重要意义。自提出以来,单分子荧光共振能量转移技术逐渐展现出其在研究生物大分子构象变化和相互作用过程等方面的巨大潜力,一系列新的作用机理陆续被提出。本文对单分子荧光共振能量转移技术在蛋白质与核酸分子构象动态变化、蛋白质-蛋白质相互作用以及蛋白质-核酸相互作用等方面取得的研究进展进行了综述。     

生物电化学仪器的发展现状与展望

电荷传递是生命运动的基本过程之一,电化学方法在生命科学中的应用为相关生命现象的研究提供了一个有效而独特的物理化学视角,并带来超出常规生物学检测的丰富信息.随着生物电化学研究的不断扩展和深化,已从早期的生物分子电化学研究深入向活体、活细胞、单活细胞水平甚至活细胞中单分子水平发展.研究者对仪器设备性能如灵敏度、分辨率(时间分辨、空间分辨和能量分辨)和操作性等提出了越来越高的要求.本文综述了生物电化学仪器在应用领域和研究领域的现状,重点介绍单细胞电化学检测系统的构建,并初步探讨国内生物电化学研究仪器的发展趋势.     

生物分子的单分子检测研究

本文评述了生物单分子检测的方法及其在生物大分子结构与功能之间的关系、酶的活性、反应动力学、分子构象、DNA和RNA的转录、蛋白质折叠等生物学重要问题研究上的应用。对生物单分子检测技术这一研究领域的发展趋势作了展望。     

单分子的光学检测及应用

介绍了单分子光学检测技术的基本原理、方法及其在化学和生命科学中的应用,重点强调单分子动力学在酶反应和生物大分子构象变化研究中的独特作用,对今后的发展作了展望     

聚酰胺-胺型树枝状化合物与细胞色素C的结合作用

制备具有分子识别功能的材料 ,特别是设计合成某种分子 ,使其能够识别蛋白质表面 ,并干扰或促进蛋白质的特定生理功能 ,是生物有机化学中一个尚待解决的重要问题 ,也是揭开蛋白质分子识别与相互作用机理的重要问题 .人们对生物大分子———蛋白质分子之间的识别和相互作用进行了广泛的研究 ,总结出了一些规律 .( 1 )蛋白质复合物中最直接相互作用的残基数目共为 2 7～44个 ,相对与总的残基数来说很少 ,但是对分子间的识别和稳定作用却起决定性作用 ;( 2 )蛋白质复合物的接触面积为 6～ 1 0ｎｍ2 ,既需要比较大的接触面积 ,复合物才比较稳定 …     

提高MALDI-MS测量溶菌酶分子量灵敏度的研究

近 1 0年来 ,基质辅助激光解吸质谱 (MALDI- MS)作为一种新兴的“软电离”质谱技术 [1,2 ] ,已很快地应用于生物大分子特别是蛋白质研究领域 [3 ] .MALDI- MS可在 1 0 - 12 mol甚至 1 0 - 15mol的水平上 ,准确地测定分子量高达几万到几十万的生物大分子 ;还可通过改变基质、溶液条件和样品的制备方法等实现大分子蛋白质非共价复合物的质谱检测 [4 ] .MALDI- MS能够得到如此广泛的应用 ,在很大程度上要归功于基质的辅助效应 .基质的作用主要可以概括如下 [5～ 7] :(1 )削弱样品分子间的相互作用 ;(2 )与样品分子结合并使之快速结晶 …     

顺磁标记蛋白质在溶液与细胞内研究中的应用

核磁共振中的顺磁效应,包括顺磁弛豫增强、赝接触位移和残余偶极耦合,是研究生物大分子结构、动态变化与相互作用的重要结构约束条件.定点顺磁标记大分子是获得该类结构约束的重要途径.本文论述了生物核磁中顺磁效应的基本原理,蛋白质定点顺磁标记路线和方法,以及在生物核磁中产生顺磁弛豫增强、赝接触位移和残余偶极耦合等顺磁效应的标签质量评价.在介绍该领域最新重要进展的基础上,本文主要讨论了本课题组通过利用顺磁效应在结构生物学和化学生物学中的工作:多结构域蛋白质中的结构域动态取向分析;非平衡态下低含量、不稳定蛋白质复合物的三维结构测定;赝接触位移测定活细胞内蛋白质的三维结构;顺磁核磁和电子自旋共振在结构生物学研究中的互补性以及应用双电子自旋共振在细胞内高分辨距离测定方法.顺磁定点标记蛋白质等生物大分子是获得该类大分子在近生理状态下高分辨动态结构与变化信息的重要方法,预计该技术会在细胞内研究中得到广泛应用.     

Towards single biomolecule handling and characterization by MEMS

Applications of microelectromechanical systems (MEMS) technology are widespread in both industrial and research fields providing miniaturized smart tools. In this review, we focus on MEMS applications aiming at manipulations and characterization of biomaterials at the single molecule level. Four topics are discussed in detail to show the advantages and impact of MEMS tools for biomolecular manipulations. They include the microthermodevice for rapid temperature alternation in real-time microscopic observation, a microchannel with microelectrodes for isolating and immobilizing a DNA molecule, and microtweezers to manipulate a bundle of DNA molecules directly for analyzing its conductivity. The feasibilities of each device have been shown by conducting specific biological experiments. Therefore, the development of MEMS devices for single molecule analysis holds promise to overcome the disadvantages of the conventional technique for biological experiments and acts as a powerful strategy in molecular biology. Figure Towards single bio molecular handling and characterization by MEMS     

Studying single molecule electrochemistry with scanning tunneling microscope break-junction technique

The fundamental principle of molecular electronics is to comprehend electrical properties of single molecules connected between two probe electrodes. In recent years, substantial advances in this field have been made to underpin experimental and theoretical understanding of single molecule electrochemistry. By using scanning tunneling microscope (STM) break-junction technique, the switching events of electrical current from single molecule bridge tuning by electrochemical gating are investigated to uncover the relationship between electrochemical electron transfer and charge transport processes in chemical and biological molecule junctions. In this short review, we outline the latest works of single molecule electrochemistry studied with STM break-junction technique from Nongjian Tao's group, and share the insights on the opportunities and challenges for future research.     

单个等离子体纳米颗粒在生化分析和生物成像中的应用

等离子体纳米颗粒（PNPs）因其独特的物理、化学、光学和生物学特性而被广泛地应用于材料科学、生物学和医药学等研究领域。PNPs的光学性质是可以通过改变其组成、形状和大小来进行调控的,所以利用可控合成的方式能够筛选出适合的光散射探针。在单分子水平上实时研究PNPs的动态行为对于理解细胞及活体组织的生命活动机制、制备功能型纳米材料和开发新型化学生物传感器等有着重要的意义。基于传统的暗场显微镜（DFM）,通过对光源、检测器及其它光学元件的择优组装和调试,我们开发出了一系列具有高灵敏度、高时空分辨率和高通量的等离子体光散射成像技术,并将其应用于单分子检测、多颗粒传感、单细胞成像以及生物过程示踪等领域。基于具有光学各向异性的PNPs,我们还研制出了活细胞三维扫描成像系统和超连续激光光片成像与高速毛细管电泳联用系统,推进了单分子光谱方面的研究。本文将总结近十年来本课题组在PNP单颗粒分析及成像中的工作,并为该领域未来的发展提出一些新的思路。     

Protein modification for single molecule fluorescence microscopy

Single molecule methods have emerged as a powerful new tool for exploring biological phenomena. We provide a brief overview of the scope of current experiments and assess the limitations of both fluorescent labels and the means to achieve protein modification for single molecule microscopy.     

Optical Spectroscopy of Single Impurity Molecules in Solids

Optical spectroscopy of a single impurity molecule provides the first truly local probe of host–guest interactions in doped solids. In conventional optical high-resolution experiments with many molecules only ensemble averages of the microscopic parameters can be obtained. In the single-molecule regime, the exquisite sensitivity of an individual dopant molecule to both the local environment and to external perturbations has been exploited in recent experiments to reveal a wealth of fascinating novel phenomena such as spectral diffusion in crystals and polymers, optical modification of a single impurity molecule (spectral hole-burning), local field measurements at the site of a single impurity molecule, and quantum optics in a solid.     

Microdroplets in Microfluidics: An Evolving Platform for Discoveries in Chemistry and Biology

Microdroplets in microfluidics offer a great number of opportunities in chemical and biological research. They provide a compartment in which species or reactions can be isolated, they are monodisperse and therefore suitable for quantitative studies, they offer the possibility to work with extremely small volumes, single cells, or single molecules, and are suitable for high‐throughput experiments. The aim of this Review is to show the importance of these features in enabling new experiments in biology and chemistry. The recent advances in device fabrication are highlighted as are the remaining technological challenges. Examples are presented to show how compartmentalization, monodispersity, single‐molecule sensitivity, and high throughput have been exploited in experiments that would have been extremely difficult outside the microfluidics platform.     

Use of Three‐Dimensional Arterial Models To Predict the In Vivo Behavior of Nanoparticles for Drug Delivery

Nanomaterials have been widely used for applications in biomedical fields and could become indispensable in the near future. However, since it is difficult to optimize in vivo biological behavior in a 3D environment by using a single cell in vitro, there have been many failures in animal models. In vitro prediction systems using 3D human‐tissue models reflecting the 3D location of cell types may be useful to better understand the biological characteristics of nanomaterials for optimization of their function. Herein we demonstrate the potential ability of 3D engineered human‐arterial models for in vitro prediction of the in vivo behavior of nanoparticles for drug delivery. These models enabled optimization of the composition and size of the nanoparticles for targeting and treatment efficacy for atherosclerosis. In vivo experiments with atherosclerotic mice suggested excellent biological characteristics and potential treatment effects of the nanoparticles optimized in vitro.     

基于原子力显微镜的单分子力谱在生物研究中的应用

原子力显微镜被广泛应用于生物研究领域,基于原子力显微镜的单分子力谱可以在单分子、单细胞水平上研究生物分子内和分子间的相互作用。 本文介绍了原子力显微镜单分子力谱在生物分子间相互作用、蛋白质去折叠、细胞表面生物分子、细胞力学性质和基于单分子力谱成像等研究中的最新进展。     

Nanometer Scale Imaging and Biochemical Sensing

This seminar will cover two research topics in our group. The first one is nanometer scale sensing with living biological cells. In the biomedical sciences and technologies, the greatest advances in the last decade have been inspired by the genome project. What comes after the deciphering of the genetic code? Certainly one next step is the biochemistry driven by the gene, from the cellular nucleus to its organelles, cytoplasm and beyond. One important goal is to follow in real time the biochemical kinetics and dynamics of the living cell, much of which is in terms of small ions and biomolecules. Using both optical microscopy/spectroscopy and scanning probe microscopy, we have imaged single living cells and probed single molecule interactions.