在纳米尺度下,物质的性质开始受控于量子局限效应(quantum confinement)和表面效应等,进而可以表现出与其宏观块体状态截然不同的物理或化学现象;而纳米科学与技术的基本内涵即在于探索其中的基本原理并构筑具有特征属性的结构。作为纳米科技与生命科学相互融合与交叉的新兴领域,纳米生物学则更多关注生物纳米结构的空间构造、功能、组装、离解和动力学特征,以及利用纳米技术揭示生命现象,满足人类健康与发展需求。

方向一、纳米生物探针

    纳米尺度下的无机材料(如半导体、金属和金属氧化物等纳米尺度颗粒)可以表现出如依赖尺度变化的发光、超顺磁属性,以及颜色变化等 物理特性;这种尺度调控的物理性质变化,为构筑具有特定属性的人工材料奠定了坚实的理论和实践基础。近十年来,纳米技术(材料)与生物医学相互融合,在许多领域已经展现出极具前景的应用价值,比如疾病分子诊断、细胞示踪和医学影像等等。作为人工材料,解决生物相容性和安全性,即建立友好的“化学-生物”界面, 同样是纳米材料应用于生物医学的关键环节之一。目前我们的研究兴趣和重点关注的问题包括:

  • 纳米颗粒的化学制备与相关机理研究:1)光致发光材料,包括半导体材料量子点(quantum dot, QDs)与“魔数”纳米簇(magic-sized/number nanoclusters, NCs);2)超顺磁性-荧光多功能材料,如异质型复合纳米颗粒(magnetic-fluorescent heterojunctions)等;

  • 建立“化学-生物”界面:在保持纳米颗粒既有物理性质的前提下,构筑表面保护性和功能性壳层,以提高纳米材料在生物系统中的物理化学稳定性、生物相容性与安全性(physicochemical stability, biocompatibility and biosafety);

  • 以纳米颗粒为标记物或造影剂,进行分子影像与细胞示踪研究:1)肿瘤早期诊断,即以肿瘤细胞和实体瘤为靶的多模式分子影像研究;2)纳米颗粒的新型靶向载体;3)与疾病相关的免疫细胞/分子的分选/分离与超灵敏在线检测 。

方向二、多肽自组装纳米线

    具有特殊结构倾向的多肽,在特定环境下可以组装形成结构规整的纳米线。利用多肽易于合成、构象调控、序列优化和化学修饰等特点,通过自组装策略发展功能材料和器件。我们对以下方向抱有浓厚的兴趣:

  • 一维自组装纳米结构的模板设计、自组装及调控机理:在设计beta发夹和片层结构基础上,了解组装过程中分子间在构象上相互协调的分子机制,探索多肽自组装的可控性因素 ;

  • 纳米线在脂膜表面(流动性)和固体表面的定向生长与纳米阵列构建;

  • 以多肽纳米线为模版的复合纳米结构的构筑。

方向三、蛋白质错误折叠与蛋白质构象病

    从蛋白质研究角度看,Alzheimer型老年性痴呆和Prion等神经退行性病变在机理上存在一共同特点,即相关蛋白质的构象发生了异常转变,因此这一类疾病也被称为“蛋白质构象病”。研究显示,蛋白质的错误折叠以及由此引发的蛋白质异常聚集 ,在疾病的发生发展中扮演了重要的角色。我们关注以下几个问题:

  • 相关蛋白质/多肽的异常分子行为:探索蛋白异常行为的结构基础、组装结构的多样性、以及组装过程中中间体结构对细胞正常功能的影响;

  • 环境下的蛋白质分子行为:原位研究蛋白在膜环境中的行为特点,探索膜微区(脂筏与非筏区)与蛋白相互作用的不同模式,了解病理状态下膜与蛋白的分子互动 ;

  • Humanin多肽神经保护作用的分子机理:利用蛋白质组学及高通量筛选技术寻找作用靶,探索疾病预防与治疗的可能途径。


北京大学 单分子与纳米生物学实验室

Single-molecule & Nanobiology Laboratory, Peking University