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::研究成果::


  

      一.基于蛋白质电化学发展新型生物传感器的研究

              该项成果获得"2010年教育部自然科学二等奖"。生物传感器是在医疗诊断和生命科学研究中应用最为广泛的测试器件之一,随着生命科学与材料、信息、化学、物理等学科间的交叉渗透,生物传感器这一多学科交叉研究领域得到了飞速发展,其中,基于蛋白质电化学与分子组装技术的电流式生物传感器的研究在国际上尤为活跃。另一方面,蛋白质作为生命有机体的主要成分,是细胞内各类代谢和调控等生命功能的执行者,而电子的运动是生命的基本运动,电子传递、离子迁移在生命过程中普遍存在,化学信息分子的功能、神经传导、生物催化、蛋白质的氧化还原过程等等都与这一基本电子运动相关联,因此,研究蛋白质的电化学不仅是揭示生命本质的重要途径,而且可了解生命过程中的众多信息,发展新型的生物传感器,为生命科学研究及医疗诊断服务。课题组经过多年研究,取得了如下系列成果:

      1. 通过在电极界面对蛋白质定向组装、层层吸附、共价键合、分子包埋、聚合掺杂等界面修饰和分子组装技术手段,获得了血红蛋白、肌红蛋白、辣根过氧化物酶、细胞色素c、细胞色素b5、葡萄糖氧化酶、黄嘌呤氧化酶等多种蛋白质的直接电化学响应,考察了这些蛋白质的界面行为,在此基础上,提出了蛋白质及一些催化底物的定量测试方法,研制了多种生物传感器。
      2. 采用蛋白膜伏安技术,尝试了大量的各种类型的材料,研制了由葡聚糖凝胶、磷脂酰胆碱、聚乙烯亚胺、聚乙二醇、二棕榈酚磷脂酸、聚3-羟基丁酸酯、双十八烷基二甲基溴化铵、卵磷脂、蒙脱土、硅藻土等材料与一些蛋白质(酶)所形成的蛋白膜,构建了稳定的蛋白膜修饰电极,获得了这些蛋白质直接电子传递反应,很好地保持了其生物活性,并研制了多个第三代一氧化氮、过氧化氢生物传感器,非媒介体型葡萄糖、胆碱传感器。
      3. 研究了蛋白质与若干效应分子如一氧化氮、咪唑、ATP、氯离子的相互作用,探讨了二甲亚砜、二甲基甲酰胺、甘油等有机溶剂对蛋白质电子传递性能的影响,得到了表面活性剂、有机溶剂与蛋白质构象、变性以及电子传递能力、氧化还原活性之间关系许多有价值的信息,并在此基础上发展了多种新型生物传感器。
      4. 借助纳米材料诸如比表面积大、生物相容性好、易于表面修饰等独特优势,发挥纳米材料在光、电、磁、热等方面所展现的独特性质,使用纳米金、纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、碳纳米管等多种纳米材料与一些蛋白质(酶)构建仿生膜,并研究这些纳米材料与蛋白质分子的相互作用,在此基础上提出了多种新型的生物传感器。

      二.蛋白质定量及活性表征的电化学研究

              该项成果获得"2014年教育部自然科学二等奖"。蛋白质的定量分析与活性检测,既是生物医学研究非常重要的技术路径,又是临床医疗不可或缺的诊疗手段;另一方面,电子传递、氧化还原是很多蛋白质的固有特性并且在行使功能或与其他生物分子发生相互作用时普遍存在,而作为现代仪器分析最重要的测试手段之一,电化学技术简单、快速、灵敏、方便,因此,对蛋白质开展电化学研究不仅可以获取生命过程的众多信息,而且可以为生命科学研究及医疗诊断的新技术提供新原理和技术支撑。课题组经过多年研究,取得了如下系列成果:

      1. 设计了具备蛋白识别、信号转换、信号放大等功能的多肽分子探针,以多肽替代抗体,提出了一些非抗体依赖的蛋白质定量方法用于免疫因子、神经退行性疾病标志肽、细胞骨架蛋白、p53调控蛋白等多种以往只能依赖免疫检测的疾病标志蛋白的分析,而且这些方法的有效性已经在临床样本上得到初步验证,从而摆脱了传统的蛋白质分析几乎完全需要依赖抗体的现状。

      2. 将基于核酸适体的蛋白质分析进行整体设计,对分子识别、信号放大、电化学检测等环节有效整合,使凝血酶、生长因子等蛋白的定量分析简单、方便,避免了基于核酸适体的蛋白质分析设计复杂等弊端;同时,将蛋白识别小分子修饰的DNA引入电化学传感体系,并通过与核酸工具酶辅助的信号放大相结合,提出了基于核酸的蛋白质通用检测新方法,解决了蛋白质适体数量稀少等问题,拓展了功能核酸探针在蛋白质定量电化学研究中的应用范畴。

      3. 通过探索多种电极界面分子组装技术,设计特有的核酸、多肽序列,并将蛋白质修饰、酶切等位点设计在活性蛋白的底物探针之中,构建底物功能化的电化学传感界面,实现了Argonaute2蛋白、腺苷脱氨酶、端粒酶、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3、吲哚胺2,3-双加氧酶、蛋白激酶A、α-淀粉酶等多种蛋白质活性以及蛋白质磷酸化、生物素化、糖基化等蛋白质修饰的电化学表征,使蛋白质电化学活性分析不再局限于少数电子传递蛋白、氧化还原酶类。

      4. 将石墨烯、贵金属纳米颗粒等多种纳米材料应用于蛋白质定量及活性表征的电化学研究,借助纳米材料生物相容性好、易于表面修饰等独特优势,使蛋白质分析检测的范围拓宽,灵敏度提高,响应时间缩短,检测步骤简化,甚至使血小板衍生生长因子、癌胚抗原等肿瘤标志蛋白的检测直接用于患者血清样本及肿瘤细胞的分析,为生物医学研究和临床应用打下了很好的基础。

      三.蛋白质与生物小分子相互作用的研究

      四.生化分析新技术研究

      五.近期研究成果

             我们课题组2016年度再次取得丰硕成果,并且在Nature Index(NI)刊物发表论文7篇,占我校生命科学学院NI论文的1/3.
             生命科学研究正经历从定性到定量、从静态到动态、从分析到综合的阶段,迈向更高的层次,对蛋白质的定量分析与活性检测提出了更高的要求,同时,癌症等恶性疾病每年都夺取了数以千万计的生命,早诊早治是降低死亡率最为有效的手段,所以,对肿瘤标志物等疾病相关蛋白的定量检测也提出了新要求。发展简单、快速、灵敏、准确、特异的蛋白质定量检测方法,不仅是蛋白质科学研究的重点和热点,而且在生命科学研究和疾病的临床诊断领域具有十分重要的意义。
             我们在基于蛋白质生物传感的蛋白质定量新技术,尤其是在疾病标志蛋白分析新方法及临床检验应用方面,于2016年度再次取得了系列进展,为临床医学诊断提供了许多全新的技术路径。比如,提出的基于多肽信号转换和信号放大进行肿瘤标志蛋白的检测策略,不仅可以帮助研究者更好地理解参与信号转导过程的蛋白质结构的重构,而且提供了在诸如癌症的病理条件下评估蛋白质活性的新方法;而利用多肽新型生物分子探针,针对肿瘤的侵袭过程,发展了酶活性与生物学功能分析的生物传感新技术,不仅灵敏度高,而且能够分析多种肿瘤侵袭、癌基质变性的关键蛋白质的活性,为未来肿瘤诊断和预后提供了更加可靠的技术保证。再如,我们利用核酸易于形成高级纳米结构的特点,借助蛋白质与生物小分子相互作用研究的成果,通过多样化的信号发生、放大策略,实现了多种疾病标志蛋白的定量分析。对于血小板衍生生长因子的定量分析,检测过程非常简单,无需仪器即可肉眼可辨,方便实际应用;而利用目标物诱导的DNA假结结构的构象变化,则可实现Nanog蛋白在细胞提取物中的电化学检测。此外,我们还对传统的酶联免疫分析进行了改进,实现了同时多色检测,证实了联合分析病人血清中三种肿瘤标志物,可以显著提高肺癌的检出率,为癌症的早期诊断和对症施治提供了有益的信息。再者,我们提出基于动态光散射的免疫检测方法,检测限比现有方法低两个数量级,并且快速、简单,具有在早期阶段筛选肿瘤标志物的能力。

 

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