蛋白质协同DNA构建超分子自组装的研究

摘要

生物大分子自组装是创造具有纳米或微米级结构新物质的有效途径。最近十几年来越来越多的科学家对自组装的研究产生浓厚的兴趣。自组装不仅可以构建各个领域亟待使用的各种材料，还可以为很多研究领域提供基础研究。本论文开展的工作主要有以下三个方面： 首先，运用脱铁蛋白辅助DNA指导金纳米粒子组装成花一样结构的组装体。本章选用的蛋白质为具有pH值相应的脱铁蛋白，当将脱铁蛋白溶液的pH值调节到2的时候，脱铁蛋白的球型结构会发生解离，得到24个亚基。然后将该亚基溶液与制备的粒径为5纳米的金颗粒混合，再把混合液的pH值缓慢调节至中性，脱铁蛋白的亚基会重组恢复至蛋白原来的球型结构，在重组的过程中将金纳米粒子包覆。将该溶液中多余的金纳米粒子除去并浓缩溶液后，将溶液平均分为两份，各加入巯基DNA溶液，而且加入的巯基DNA的碱基序列互补配对。巯基DNA通过脱铁蛋白的亲水通道结合其腔内的金纳米粒子。随后，分别将上述两份溶液中多余的巯基DNA除去之后，再进行浓缩，然后把浓缩的这两份溶液混合并对其进行PCR程序退火。从而使体系组装得到花一样结构的微米球。随后采用紫外-可见吸收光谱、透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、聚丙烯酰胺凝胶电泳、原子力显微镜及热重分析仪等多种表征手段对组装的花进行表征。多种检测手段的测试结果证明了花的组成成分，初步证实了蛋白质、DNA以及金纳米粒子组装得到这种像花的组装体，推测组装的机理是通过螺旋位错组装而成。 其次，采用两性交联剂Sulfo-SMCC，将脱铁蛋白与DNA交联，然后通过DNA的碱基互补配对将脱铁蛋白连接起来，随着DNA进一步的杂化，脱铁蛋白进一步组装成微米级纤维。首先，交联剂Sulfo-SMCC结构中的羟基琥珀酰亚胺（NHS酯）在pH=7.4的溶液中与脱铁蛋白表面游离的氨基结合，形成稳定的酰胺键，从而得到交联剂与Apoferrtin的复合物Apoferritin-SMCC。上述溶液除去多余的交联剂后分为两等份，分别加入等量碱基序列互补配对的巯基修饰的DNA溶液，巯基DNA上的巯基与Apoferritin-SMCC复合物上的马来酰亚胺基团形成稳定的硫醚键，从而实现了将蛋白质与DNA交联，得到蛋白质与DNA的复合物Apoferritin-DNA。上述两份溶液均除去多余的巯基DNA后，室温下混合，孵化一定时间，利用DNA的碱基互补配对功能将蛋白质与蛋白质连接起来。最后，随着DNA的进一步杂化，更多的蛋白质通过DNA碱基互补配对交联，进一步组装得到微米级具有半螺旋结构的纤维。采用扫描电子显微镜、琼脂糖凝胶电泳、光学显微镜、共聚焦荧光显微镜及原子力显微镜表征了组装的纤维。通过原子力显微镜对纤维表面微观结构的观察，初步推测DNA与脱铁蛋白首先组装得到片层，然后这些片层以平行的方式组装得到具有半螺旋结构的纤维。 最后，采用一种两性交联剂Sulfo-SMCC将牛血清白蛋白与DNA交联，然后通过DNA的碱基互补配对将牛血清白蛋白连接起来，随后随着DNA进一步的杂化，牛血清白蛋白进一步组装成微米级的纤维。首先，在pH=7.4的水溶液中，交联剂Sulfo-SMCC结构中的羟基琥珀酰亚胺（NHS酯）与牛血清白蛋白表面游离的氨基（-NH2）结合，形成稳定的酰胺键，从而得到交联剂与BSA的复合物BSA-SMCC。然后除去BSA-SMCC复合物溶液中多余的交联剂，并分为两等分，分别加入等份的巯基修饰的DNA溶液（两份加入的巯基DNA碱基序列互补），巯基DNA上的巯基与BSA-SMCC复合物上的马来酰亚胺基团通过加成反应形成稳定的硫醚键，从而实现了将蛋白质牛血清白蛋白与巯基DNA的交联，得到复合物BSA-DNA。随后，将上述两份牛血清白蛋白与DNA的复合物溶液BSA-DNA分别浓缩后混合，利用DNA严格的碱基互补配对功能，使蛋白质与蛋白质连接起来。最后随着DNA杂化，更多的蛋白质通过DNA碱基互补配对进行交联，进一步组装得到微米级的具有半螺旋结构的纤维。此外，采用荧光标记的蛋白质及DNA重复实验，进一步证实了组装的纤维是由使用的蛋白质与DNA组装而成。另外还使用了原子力显微镜表征了纤维表面的微观结构，初步推测纤维由片层结构平行组装而成。 生物大分子构建的自组装材料，由于具有生物大分子的生物兼容性、可降解等特性，有望在生物医疗、材料、化学等领域有一定的应用前景。

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