构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达课件

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1、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4CompanyLogo背景介绍：生物分子马达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。CompanyLogo背景介绍：生物分子马达什么是分子开关？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C

2、ompanyLogo背景介绍：生物分子马达分子开关：结构变化与功能控制必要条件：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。CompanyLogo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CompanyLogo从分子开关到分子马达光分子开关：信息存储分子尺度进行“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

3、方法“读”出状态——可作为二进制数字系统的一个存储单元。控制稳态转变——光CompanyLogo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CompanyLogo从分子开关到分子马达基于挤迫型多烯结构的光分子开关螺旋结构：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CompanyLogo从分子开关到分子马达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CompanyLogo从分子开关到分子马达纳米阀门☆生物膜上的通道蛋白（本文采用E.Coil的M

4、scL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CompanyLogo从分子开关到分子马达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CompanyLogo从分子开关到分子马达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

5、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CompanyLogo从分子开关到分子马达第一代光驱动分子旋转马达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。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CompanyLogo从分子开关到分子马达第二代光驱动分子旋转马达第一代与第二代旋转马达结构对比CompanyLogo从分子开关到分子马达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C

6、ompanyLogo从分子开关到分子马达分子马达在表面上的固化-在石英表面CompanyLogo分子马达的一些应用1、引起液晶象变化，控制微小物体的运动2、马达形成晶体后受外界刺激发生形变3、对微小物体实现长距离运输CompanyLogo分子马达的一些应用引起液晶象变化，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CompanyLogo分子马达的一些应用马达形成晶体后受外界刺激发生形变CompanyLogo分子马达的一些应用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CompanyLogo分子马达的一些应用对微小物

7、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CompanyLogo前景及展望我们已实现如循环运动、定向运动、物体输送、阀门开关等功能溶液中的布朗运动、工作的兼容性、多组分系统、能量转换过程还不可随意控制研究与生物大分子相结合，制造人工-生物结合的复合机器（如人工设计DNA）这些系统中蕴藏的机遇和挑战，会对未来的分子机器产生巨大的影响CompanyLogoThankYou!