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可逆光响应凝聚微滴和酶反应速率的快速调节

黄雁  
【摘要】:在研究细胞理化特性时,凝聚微滴(Coacervate microdroplet)被广泛用作原细胞或无膜细胞器模型。基于冷凝物(Condensate)在生物体内的形成/解离与生理学、病理学之间的紧密联系,在体外构筑凝聚微滴并实现灵活的动态调节,对探究冷凝物响应和促进生物学功能的能力具有重要意义。为此,本文提出了一种基于光控凝聚微滴的无膜原细胞模型。相较于离子调控、p H和温度调控等手段,光具有良好的光谱特性和灵敏的时空控制能力,可为冷凝体相关生物学功能的模拟提供更为精准的调控。首先,以阴离子琥珀酰化直链淀粉(Succinyl amylose,Su-Amy)和具有光致异构化特性的阳离子表面活性剂偶氮苯三甲基溴化铵(Azobenzene trimethylammonium bromide,azo TAB)为基元,二者通过液液相分离形成光响应凝聚微滴。凝聚微滴在紫外光照(UV,λ=365 nm,405 nm)10 s后快速解离,蓝光(λ=460 nm,488 nm)照射约630 s后再次组装。光控的解离-再组装过程至少可进行7次,且每次循环后粒径稳定在1.98±0.37μm到2.43±0.41μm。对凝聚微滴的形成机制以及光控行为机理进行探究,通过Na Cl的静电屏蔽和尿素的疏水破坏作用确定静电和疏水相互作用是液液相分离的双重驱动力。~1H-NMR计算得到azo TAB在蓝光下以平面型反式构型为主(50.43%),紫外光下以弯曲型顺式构型为主(94.65%)。通过测定与Su-Amy混合前后azo TAB溶液的紫外吸收光谱,证明了Su-Amy主要与azo TAB的反式构型结合。两组分以正负电基团的吸引、trans-azo TAB疏水端和Su-Amy螺旋结构疏水域的嵌入式结合促使凝聚微滴发生光控行为。选择一系列不同性质的客体分子进行凝聚微滴的螯合能力测试。基于凝聚微滴内部较强的静电和疏水结合力,一些较为疏水或是带有与凝聚微滴相反电荷的客体分子如尼罗红(Nile red)和辣根过氧化物酶(Peroxidase from horseradish,HRP)等能够被螯合到液滴内部,以提高客体分子的局部浓度,而亲水及相同电荷的分子则被隔离在外部。利用凝聚微滴的这一特性,结合凝聚微滴对光的快速准确响应,本文提出了一种通过光诱导凝聚微滴组装-解离-重新组装的方式来灵活可逆地调节酶促反应速率的方法。蓝光下的酶促反应能够更早地达到终点,而紫外光下则需更长时间。通过改变外部光照(蓝光/紫外光),我们可以实现酶促反应速率的调控。


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