基于微流控芯片的生物分子快速折疊動力學(xué)新方法研究.pdf

1、動力學(xué)研究能夠揭示分子過程的內(nèi)在機制，是科學(xué)界一直關(guān)注的熱點問題，先后有12位科學(xué)家因此而榮獲諾貝爾化學(xué)獎。生物分子的功能取決于其活性分子結(jié)構(gòu)的形成，即生物分子的折疊動力學(xué)，是當(dāng)前最活躍的前沿領(lǐng)域之一，例如蛋白質(zhì)折疊被Science列為21世紀(jì)生命科學(xué)的重要課題之一，是尚待解決的一個重大生物學(xué)問題。然而生物分子的折疊通常發(fā)生在微秒時間尺度，引發(fā)分子折疊則需在更短的時間內(nèi)完成。化學(xué)誘導(dǎo)是引發(fā)生物分子快速折疊的有效方法。然而，如何實現(xiàn)化學(xué)試

2、劑與靶分子的快速、有效混合，提高時間分辨率，是該方法應(yīng)用于分子折疊的一個關(guān)鍵問題。快速混合器為解決這一難題提供了有力的技術(shù)支持。
　　 傳統(tǒng)的停流技術(shù)是生物分子動力學(xué)表征的經(jīng)典手段，其時間分辨率為1ms左右，無法追蹤到微妙，甚至亞微秒水平的超快動力學(xué)過程。本論文提出一種基于微流控芯片的“液流分子交叉束”概念，實現(xiàn)液相體系超快混合。從芯片物理微結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)分析的角度，通過對混合器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成功得到據(jù)文獻報道最快的混合器，建立了生物

3、分子折疊動力學(xué)研究的一種新方法。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 (1)物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)原理，通過減小擴散距離、增加不同流體的接觸面和加強對流等三種途徑對混合器芯片的結(jié)構(gòu)進行了一系列的優(yōu)化，改善了混合器的混合效果，最終得到具有超快混合效果的混合器。
　　 (2)數(shù)學(xué)模擬論證：采用計算流體力學(xué)方法對不同結(jié)構(gòu)混合器進行數(shù)學(xué)模擬論證，初步得到優(yōu)化的混合器結(jié)構(gòu)。
　　 (3)實驗論證：采用不同結(jié)構(gòu)混合器進行實

4、驗，驗證數(shù)學(xué)模擬計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實際實驗結(jié)果與計算流體動力學(xué)的模擬結(jié)果非常吻合。采用結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的混合器，最終實現(xiàn)0.5微秒的快速混合，是據(jù)文獻報道的時間分辨率最高的快速混合器，為快速反應(yīng)動力學(xué)研究提供了一種全新方法。
　　 (4)生化反應(yīng)的動力學(xué)研究：利用該混合器對核酸和蛋白質(zhì)等大分子折疊的超快動力學(xué)進行了表征，并得到有關(guān)反應(yīng)的動力學(xué)常數(shù)，表明該方法具備簡單、快速、重現(xiàn)性好、精密度高等優(yōu)點。
　　 實驗結(jié)果證明該微混合器的