细胞无机化学中值得研究的问题

在探索生命奥秘的过程中,生物无机化学研究由分子层次上升到细胞层次是一个必然的趋势,也是解决实际问题的需要.细胞无机化学研究在细胞生命体系中的无机化学反应和探索无机物对生命过程调节或干预的作用和机理,是探索生命体系复杂性研究的重要部分.细胞是保留完整生命活动特征的最小单位,存在周期、分化和受激等状态的不同.从化学的观点,细胞是一个严密设计的分子有序组装体,为一个多靶分子系统,细胞应答表现为由相关反应组合成的复杂过程.细胞无机化学研究包括无机物种在细胞膜上的结合和随后发生的膜结构和功能改变、跨细胞膜和跨生物组织屏障的转运和细胞代谢、细胞中无机化学反应同细胞信号系统的偶联、无机离子与自由基的相互代谢关系以及细胞-无机物固相的相互作用等方面.本文对当前细胞无机化学研究的重点问题进行了讨论.     

人造细胞的化学构建及其生物医学应用研究

人造细胞是模拟生物细胞结构,人工构建的与细胞功能相近的微米囊泡。人造细胞的构建主要有两种模式：自上而下模式主要利用生物学方法对生物基因序列进行重新设计,获得具有细胞类似结构功能的人造细胞;自下而上模式主要利用化学方法采用非生命物质构筑简化的细胞结构模型。自下而上化学模式构建的人造细胞大多只包含执行所需功能的最小单元,具有简单的细胞仿生的结构与功能。本文详细综述了人造细胞的构建模式以及化学构建人造细胞的常见类型,包括脂质囊泡、蛋白体囊泡、聚合物囊泡、凝集体液滴和胶体囊泡等,总结了人造细胞在分析传感、细胞结构与功能模拟、生物载体转运、微纳米反应器、疾病诊疗方面的生物医学应用现状。     

细胞色素P-450酶模型的研究:过氧化物的化学反应机理

含有铁卟啉化合物活性中心的细胞色素P-450和其它过氧化物酶具有重要的生物化学功能. 本文讨论了铁卟啉模型物模拟这些酶功能的反应机理. 通过与已知的过氧化物中氧氧键均裂机理的比较, 以及对大部分溶液反应的研究, 表明在过氧化物(包括过氧酸)与铁卟啉生成活性中间体( Fe=O^+.)的过程中, 氧氧键的异裂机理占主导地位. 过氧化物如同其它氧化剂受物(如烯烃)一样, 能快速地直接与 FeO^+反应. 以铁卟啉为催化剂的过氧化物反应体系为我们提供了研究模拟催化酶的人工模型体系.     

微流控细胞芯片生命分析应用多元化

微流控芯片是现代生命科学研究领域的重要分析工具.结合研究者近年来开展的研究工作和取得的相关进展,本文主要介绍了微流控细胞芯片的功能特征,同时从动物细胞、植物细胞以及微生物细胞三方面系统阐述了微流控芯片生命分析多元化的发展现状,并对其应用前景进行了展望.     

刺激响应星形聚合物的合成及其药物可控释放研究

星形聚合物是从一个枝化点呈放射形连接出三条及三条以上线形链的一类具有特殊拓扑结构的聚合物.与组成和分子量相同的线形聚合物相比,星形聚合物具有明确的结构、较窄的分子量分布、较低的黏度和多功能性,已成为高分子领域的研究热点之一.引入刺激响应基团的刺激响应星形聚合物具有随外界环境变化而发生敏感调整的结构特征,并在药物可控释放方面具有重要的应用价值,受到广泛关注.本文总结现阶段刺激响应星形聚合物应用于药物可控释放方面的最新研究成果,主要根据不同的环境刺激信号进行分类,分别介绍了pH、温度、双重或多重刺激响应星形聚合物的合成方法,分析其在溶液中的自组装行为、刺激响应情况和药物可控释放功能,并对相关聚合物体系的改进和发展进行展望.     

光响应细胞粘附界面

光响应分子的响应过程可以通过简单调控光源波长、光强度以及曝光时间进行调节,近年来基于光响应分子构建的智能界面被越来越多地应用于调控细胞粘附行为。目前,用于构筑调控细胞粘附行为的光响应智能界面的功能分子主要有偶氮苯、螺吡喃以及它们的衍生物。基于这些光响应功能分子的光致异构化,光响应智能界面会发生物理化学性质转变,进而实现可控的细胞粘附和去粘附。设计光控细胞粘附界面为研究细胞粘附、迁移以及细胞诊断提供了一种新型便捷的策略。     

智能DNA水凝胶在生化分析中的应用

作为一种新型的生物大分子软材料, DNA水凝胶近年来成为国内外多学科交叉研究的热点领域之一.基于DNA材料具有可编码性和功能单元丰富的特点,通过合理的序列设计以及多样化的修饰,可以在水凝胶中引入对不同类型刺激特异性响应的功能DNA结构和催化性DNA结构,从而得到具有多种功能的智能DNA水凝胶.这类材料可以在特定外界刺激下发生特异的响应性变化,材料组装具有高精准度的可控性,可满足分子识别、信号转换与放大、可控释放等诸多方面的应用需要,并具有良好的生物相容性和可降解性等优点,在生物医学特别是生化分析中具有重要的应用前景.本文总结了不同类型的智能DNA水凝胶以及其在生化分析方面的典型应用,并对该领域当前重要问题与未来前景进行了讨论与展望.     

纳米多孔金的单分子层门控离子输运性质研究

生物离子通道能够对环境刺激作出响应,有效地调节细胞内外的物质平衡,保证体内的正常生命活动.研究具有生物离子通道功能的人工离子通道对发展离子开关具有重要的意义.本工作利用电化学去合金法制备了具有三维通道结构的纳米多孔金膜,并将其应用于离子通道,研究其离子输运性质.在电场作用下,纳米多孔金由于发生极化而使通道表现出离子整流性质.在纳米多孔金表面修饰十二烷基硫醇单分子层,利用其疏水效应,通道能够阻止离子的传输,使其处于“关闭”态.溶液中的化学刺激如表面活性剂能够增强电解质溶液在通道表面的浸润,有利于离子的传输,使通道处于“打开”态.这种单分子层修饰的纳米多孔金表现出表面活性剂响应的离子开关特性.     

基于不同刺激源的刺激响应聚合物体系的构建

刺激响应聚合物是一类具有"智能"行为的大分子体系. 它可以接收外部环境的刺激信号, 如pH值、 光、 温度、 电压、 氧化还原剂和气体等, 使自身大分子结构或状态发生较大改变, 从而影响其物理化学性质, 进而体现出相应的功能. 大量的研究结果表明, 刺激响应聚合物在纳米材料科学、 生命科学及临床医学领域中有着广泛的应用前景. 本文主要介绍了我们课题组在基于不同刺激源的刺激响应性大分子体系研究方面的一些进展.     

固定化多酶级联反应器

多酶级联反应在生命活动过程中发挥着重要作用。固定化多酶级联反应器是将不同功能的酶通过物理化学或生物手段固定于特定载体上,以之模拟生物体内多种酶协同作用方式促使底物发生降解和转化等反应的新型仿生催化技术。该技术具有固定化酶的稳定性、可重复利用以及酶级联的高效协同催化等优点,近年来在生物传感、模拟生物学以及生物转化等领域得到越来越多的关注。本文从多酶级联反应原理、反应器制备、级联反应的影响因素及应用等方面对近年来固定化多酶级联反应器的进展进行详细评述,并展望其发展前景。     

纳米电极时空分辨监测单个PC12细胞多巴胺量子释放

细胞作为有机体结构与生命活动的基本单位 ,在生命体内的新陈代谢和信息传递等方面起着关键作用 .而细胞受激释放是其参与生命活动的形式之一 ,在整个生命活动中起着非常重要的作用 ,不正常的细胞释放会导致生物体功能紊乱 ,以致产生各种疾病 .对细胞释放进行研究在神经生物学、生物化学、临床、病理和药学等多个学科领域中都具有非常重要的意义[1] .由于细胞的超微体积以及胞内单个囊泡量子释放发生的时间是毫秒级的 ,因此需要一种快速灵敏检测的手段才能对胞内释放情况进行实时监测 .对于多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素及五羟色胺等具有…     

细胞功能分子的表面增强拉曼成像及其应用研究进展

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)具有高灵敏、高通量的特性.基于SERS的拉曼成像技术是一种无损的生物成像技术,已被广泛应用于细胞表面与细胞内生物分子的检测和成像,如对聚糖、microRNA、蛋白质等分子的定量、结构分析与功能追踪等.这一技术也已用于细菌的快速检测、细胞或细菌间的信号通讯研究、细胞p H检测,并可通过活体肿瘤组织的边缘描绘指导手术切除. SERS成像可以规避生命体系中强的分子自荧光以及荧光成像中的光漂白现象,并可以利用不同拉曼信标的指纹光谱实现高灵敏、高通量的生物成像.通过与其他成像技术(如核磁共振成像、光声成像)的结合, SERS成像有望用于更复杂生命体系中生物分子的研究.本文综述了近年来细胞功能分子的表面增强拉曼成像及其应用方面的研究进展.     

光响应离子液体的结构与性能调控

光响应离子液体是一类兼具光刺激响应和离子液体双重特性的功能材料。在紫外/可见光照下,这类“智能型”离子液体的结构会发生变化,从而引起物理化学性质和相关体系性能的显著变化,以满足某些特定过程的需要。光刺激具有信号稳定、刺激部位精准、可快速切换、刺激过程不引入其他物质等优点,在刺激响应离子液体的结构与性质调控中具有独特的优势。本文以光响应离子液体的结构-性质-性能关系为主线,对光响应离子液体的光致异构化、物理化学性质调制、簇集行为调控、光致相转移及离子液体参与构筑的光响应乳液相行为调控等方面的研究进展进行了评述,分析了该领域研究中存在的主要问题,并对其发展前景进行了展望。     

无机小分子与细胞中生物大分子的相互作用

细胞是生命体的基本组成单元,是一个复杂的、能真实反映生物体系的活体.以细胞为研究对象,开展无机小分子与大分子相互作用的研究,有可能真正理解生命过程中一些问题的化学本质.无机小分子与细胞生物大分子相互作用的研究内容非常丰富,目前应着重研究那些对人类有严重威胁的一些疾病如糖尿病、心血管病、肿瘤、神经退行性病变等有关的细胞无机化学中无机小分子与生物大分子相互作用的问题.这对于了解生物大分子的结构、功能,对于疾病预防和治疗,了解小分子对生命过程的调控机制,对于药物作用新靶点的发现、药物的分子设计、作用机理和药物的研究与开发,均具有十分重要的科学意义和应用价值.论文还就开展无机小分子与细胞中生物大分子的相互作用研究的目标和内容提出了具体的建议.     

基于蛋白质骨架的人工水解酶的理性设计

蛋白质是生命体的重要组成部分,其中生物酶在生命体系中发挥至关重要的作用。蛋白质分子设计是研究生物酶结构与功能关系的重要手段。本文综述了基于蛋白质骨架的人工水解酶的理性设计与功能研究进展,包括对天然蛋白的重新利用和重新改造,基于3-股螺旋、4-股螺旋或锌指蛋白的分子设计,以及血红蛋白(如细胞色素b₅和肌红蛋白突变体)水解酶催化活性的调控等,阐明了人工水解酶分子设计的基本思路与研究方法,为合理构建人工水解酶或其他生物酶提供了重要的信息。人工水解酶的理性设计进展,不但深化我们对天然酶结构-性质-反应-功能关系的认识,而且还提升我们创造具有优越功能的人工生物酶的能力。     

电致发光细胞传感器及其分析应用

电致发光细胞传感器具有灵敏度高、反应可控性强、背景干扰低、分析实时、对检测对象无损等优点,近年来成为生物分析和临床诊断等领域的研究热点。该文针对电致发光细胞传感器构建以及纳米发光探针的设计介绍其在肿瘤细胞定量分析、肿瘤标志物分析、单细胞分析以及细胞功能分析等方面的应用,并对电致发光技术在细胞传感中的研究趋势进行展望。     

人工调控细胞表面受体聚集状态及功能

从利用物理刺激和生物大分子诱导两个方面综述了人工调控细胞表面受体聚集状态的策略.前者是利用相应的纳米材料在光、磁场、温度等物理刺激作用下实现人工调控受体聚集;后者则利用包括蛋白/多肽类分子、核酸在内的生物分子的自组装对其靶向识别的受体进行人工调控.系统介绍了相关研究领域取得的最新进展,并阐述和展望了该领域现存的挑战和发展方向.     

基于DNA纳米结构的细胞间相互作用的调控

细胞通过化学信号、 电子交换和直接接触等方式交换彼此之间的物质和信息, 以调节生命体的生长发育. 因此, 细胞间的相互作用研究与调控在细胞功能的机制研究和疾病的诊断及治疗等领域具有非常重要的意义. DNA纳米结构具有易合成、 易修饰、 可编程性设计及生物安全性高等优点, 有望实现操作简单、 精确可调、 智能响应的细胞间相互作用调控, 受到了广泛关注. 本文综述了寡核苷酸链杂交、 受体-配体结合和核酸适体靶向识别等基于DNA纳米结构的细胞组装策略, 总结了pH调控、 金属离子调控和DNA链激活等细胞间相互作用的调控手段, 并重点介绍了其在细胞间作用力的测量和成像、 体外组织模型的构建、 细胞间的通讯交流和细胞免疫治疗等领域的应用. 最后对该领域进行了总结和展望, 希望为相关研究提供有益参考.     

刺激响应型生物医用聚合物纳米粒子研究进展

近十几年来, 纳米科学的发展极大地推动了纳米材料在生物医用领域的应用. 聚合物纳米粒子由于其独特的性能在药物传递、医学成像等医用领域备受关注. 其中, 刺激响应型聚合物纳米粒子是一类可以在外界信号刺激下(包括pH、温度、磁场、光等)发生结构、形状、性能改变的纳米粒子. 利用这种刺激响应性可调节纳米粒子的某种宏观行为, 故而刺激响应型聚合物纳米粒子也被称为智能纳米粒子. 因为其特有的“智能性”, 刺激响应型聚合物纳米粒子的研究已成为当前生物材料领域的研究热点. 本文综述了几类重要的生物医用刺激响应型聚合物纳米粒子, 侧重介绍双重及多重刺激响应型聚合物纳米粒子的制备及其生物医学应用.     

细胞电化学分析的研究进展

细胞是构成生命有机体的基本单位,对有机体的生长发育以及生理功能的维护起着至关重要的作用.由于细胞中的各种生理活动多伴随着电荷的定向传递、传导或者转移,因此,结合电分析化学技术的简单、便捷、灵敏以及快速的优势,细胞电分析化学逐渐发展成为了生物电分析化学的一个重要分支,为细胞活性分析、疾病诊治以及药物筛选等研究提供了越来越多的理论支持,并奠定了重要的实验基础.近几年,随着界面修饰技术、纳米技术、分子组装以及分子识别技术的发展,具有更高生物相容性和选择性的电极环境被开发应用于细胞的固定,极大地促进了细胞电分析化学的发展.本文重点评述近三年细胞电化学分析的研究进展,并以此为基础展望了其研究前景.