基于蛋白－半导体量子片纳米偶联物的FRET生化传感新方法研究

Fluorescence resonance energy transfer is among the frontier technologies for the analysis of bimolecular conformations and dynamics occurring in biological pathways, and carefully designed sensing systems for biomolecules. Quantum disks, with atomic flat basal planes and ultra-narrow fluorescent emission bandwidth, expand the range of potentially useful fluorophores and molecular assembly scaffolds in FRET-based sensing applications. This project will develop the first generation of luminescent semiconductor quantum disks-based hybrid inorganic-biomaterials and related biosensors. We will perform systematic investigations on quantum disks-protein bioconjugate nanoassembly, determining the orientation of the protein relative to the quantum disks surface through FRET technique. Then, we will develop generic method to interrogate the thermodynamics of protein unfolding while under the effect of changing pH/temperature. Meanwhile, we will develop the first living cell nanoscale biosensor based on quantum disks as the FRET donor for highly sensitive detection of maltose in Escherichia coli, and explore the possibility for the construction of “reagentless” FRET biosensors with quantum disks as donor elements. These sensors may have great potential as an efficient platform for biomedical researches, clinical diagnostics and drug screening.

荧光共振能量转移（FRET）是开展生物分子动力学、生命过程中的分子构象分析和生物分子传感分析的前沿技术。二维半导体量子片材料因其具有原子尺度上平整的表面和极窄的荧光发射光谱，为FRET的生物传感应用提供了极具潜力的荧光材料和分子偶联结合平台。本项目旨在发展第一代以半导体量子片材料为基础的无机-生物分子复合材料、及其生物传感器，拟对量子片-蛋白偶联物进行系统性的研究，通过FRET分析确定蛋白质在量子片表面上的取向；然后，拟发展一种研究蛋白质在pH值或温度变化下去折叠的热力学过程的通用方法。同时，本项目组拟首次探索以量子片为FRET能量供体的活细胞内纳米生物传感器，对大肠杆菌中的麦芽糖进行高灵敏的检测，并探索构建以量子片为能量供体分子的“无试剂”FRET生物传感器，为生物医学研究、临床诊断和药物筛选提供有效的技术平台。

对光学纳米材料进行系统性的结构表征和分析，通过构效关联，一方面为功能材料的性能调控提供依据，另一方面为精准构建生物传感的材料平台奠定了坚实的理化基础。通过对硒化镉、氮化碳和金的低维纳米材料进行原子水平的结构表征，分析其生长机理，从精准合成的角度实现其分子结构的优化，有效关联各种材料内在的结构和性能之间的关系，实现对其光学性质的精准调控。其中，对硒化镉二维纳米材料的生长过程进行了细致分析，发现其对称性破缺的演化过程，深入揭示了取向生长的分子机理，为该类具有优异荧光特性的半导体材料的可控制备提供了可靠的合成路线和机理支撑。通过对氮化碳二维纳米材料进行系统调控和整合，利用双光子荧光成像构建了高效灵敏的潜在癌症诊断平台。通过控制金纳米线长径比实现调控其纵向表面等离子共振能量，在共振耦合型表面增强红外光谱中观测到其表面配体红外吸收信号的增强。此外，我们还对半导体和贵金属纳米材料在手性分析中的潜力进行了系统性的归纳和展望。这一系列工作有望为相关纳米光学材料在化学测量学的应用中提供新的机理、思路和材料平台。相关研究成果已经在Journal of the American Chemical Society，Analytical Chemistry，Chinese Chemical Letters等生物传感及相关领域的重要国内和国际学术刊物上发表SCI收录论文4篇，均标注本项目资助。同时，项目组培养了2名本科生，5名硕士生，参与培养了3名博士生，圆满完成了既定目标和任务。