基于生物矿化提高蛋白质稳定性的研究

发布时间：2017-12-07 12:28

  本文关键词：基于生物矿化提高蛋白质稳定性的研究

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【摘要】：生物矿化是生物体造就自身生物矿物的过程。从微观尺寸的细菌、真菌到宏观世界的植物、动物,一切生物体的生命活动都缺少不了生物矿物的参与。生物体在严格的生物调控下从外界环境中选择性地摄取元素,并最终合成具有高度有序层级结构和特殊生物功能的矿物。这些矿物在生物体内发挥着机械支撑、保护、光学、磁学等各种功能,同时还被证明在提高生物抵抗外界恶劣环境的能力方面起着重要作用。受到自然界中生物矿化现象的启发,通过仿生矿化手段对不具备自矿化能力的生命体进行改造,可以在提高生命体生物抗逆性的同时赋予其各种特殊功能。蛋白质是生命体的重要组成成分,并且由于其优异的催化性能和作为药物的强特异性,在人类的生产生活中起着越来越不可替代的作用。但是蛋白质往往存在着稳定性差、可操作性差、不易回收利用等问题,因而在很大程度上限制了其在各个领域的应用。所以,找到一种简单有效的手段来提高蛋白质的稳定性具有重要意义。本论文主要内容为通过仿生矿化手段在蛋白质上原位引入无机矿物,提高蛋白质的稳定性并研究其保护机理,同时还进一步将矿化手段与功能纳米材料相结合应用于分析检测方面。全文共分为五章：第一章简要介绍了生物矿化的基本内容,包括生物矿物的种类、作用以及生物矿化过程；接着归纳了仿生矿化的基本原理、有机基质在调控仿生矿化过程中所起的作用及该方法用于生命体改造的相关应用等；随后概述蛋白质的基本知识及其在应用过程中存在的问题,同时介绍了目前提高蛋白质稳定性的一些方法,并引出通过仿生矿化手段提高蛋白质稳定性的设想；最后提出本论文的研究思路和目标。第二章通过原位矿化手段在蛋白质表面引入无定形磷酸钙矿物,这层无机外壳可以大大增强矿化蛋白的热稳定性。随后对蛋白分子结构、氢键交换速率以及无定形矿物含水量等进行研究,深入探讨了矿物对蛋白分子的热保护机理。无定形矿物相中的结构水分子通过紧密连结在矿化蛋白周围,从而形成一种稳定的水合状态,降低蛋白分子与外界环境中水分子的氢键交换速率,减少热运动过程对蛋白构象的破坏,提高蛋白质在高温环境下的稳定性。第三章选用在生物抗逆性方面表现更为突出的二氧化硅为矿化材料,利用原位矿化与功能纳米材料相结合的方式为蛋白分子引入矿化外壳。首先经化学修饰为蛋白分子共价连接上具有诱导硅矿化作用的聚乙烯亚胺分子,并用磁性纳米颗粒对修饰后的蛋白进行富集,最后通过原位硅矿化方法在蛋白分子表面生成二氧化硅矿化层。实验结果表明,这种矿化方法不但具有很高的蛋白矿化率,并且能够显著提高蛋白分子的热稳定性、温度适用范围以及抗有机溶剂的能力。这种基于生物矿化的材料-蛋白相复合的方法为今后蛋白或其他生物大分子的矿化提供了一个新的思路。第四章利用磁性纳米颗粒的类过氧化物酶活性以及硅矿化对葡萄糖氧化酶在酸性条件下的稳定性提高,我们将合成好的Fe3O4@C-葡萄糖氧化酶-二氧化硅纳米复合物用于一步法检测葡萄糖。该方法具出良好的线性范围、高灵敏度,高底物选择性,并且由于磁性纳米颗粒的存在使该复合物易于通过磁铁进行回收,表现出很好的可重复利用性。这种将功能纳米材料和矿化手段相结合,同时利用材料和生物大分子特有性质的策略,在生物传感、分析检测等各个方面具有很大的应用潜力。第五章对本论文的工作进行总结,说明生物矿化手段能够提高矿化蛋白质的稳定性,以及无定形矿物相中结构水在稳定蛋白分子方面的重要作用,并提出将该方法与功能纳米材料相结合应用于生物传感等方面具有很好前景。同时,我们还指出了本工作中存在的不足和需要解决的问题,为今后的研究提供指导意义。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q51

【参考文献】

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1 欧阳健明;生物矿物及其矿化过程[J];化学进展;2005年04期

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本文编号：1262390