一种基于太赫兹光谱技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，包含以下步骤：步骤1，配制包含目标生物膜和目标生物分子的样品；步骤2，提供太赫兹光谱装置，所述装置上设有可容纳步骤1所述样品进行太赫兹检测的容器；步骤3，将步骤1所述样品加入步骤2所述容器中，进行太赫兹光谱检测，得到生物膜与生物分子相互作用的太赫兹频率的光学性质。本发明专利技术提供了一种在近生理条件下灵敏探测生物膜与生物分子相互作用的方法，利用太赫兹光谱所携带的多尺度运动信息，可以实现动力学层面的对生物膜与生物分子相互作用的详细表征。生物膜与生物分子相互作用的详细表征。生物膜与生物分子相互作用的详细表征。

【技术实现步骤摘要】
一种基于太赫兹光谱技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法


[0001]本专利技术涉及生物
，具体涉及一种基于太赫兹光谱技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法。

技术介绍

[0002]生物膜与生物分子的相互作用在生命系统中广泛存在，这种相互作用会导致相关生物分子的功能改变，进而影响其所调控的细胞生命活动。原理上，这种功能上的调控源于磷脂分子或生物膜的整体性质影响了与其结合的蛋白质等大分子的结构和动力学。例如，与膜界面的结合会让磷脂酶A2呈现出一种更加灵活的构象，具有更加有利于酶活性的动力学性质，进而影响了磷脂酶A2参与的代谢途径。探测生物膜与生物分子的相互作用并详细表征这一过程中的结构和动力学变化，不仅有助于回答生物膜研究中的关键科学问题，还可启发人们开发新的靶向膜蛋白的疾病疗法，具有重要的科学意义和现实意义。
[0003]目前用于探测生物膜与生物分子相互作用的表面等离子体共振(SPR)、电子自旋共振(ESR)等技术无法获得关于结构和动力学的关键生物学信息，而x射线晶体学等结构生物学方法不仅成本高昂，还对样品状态有着严苛的要求，难以用于这一问题的研究。开发新的探测生物膜与生物分子相互作用的方法是相关研究领域的迫切需求。
[0004]检索暂未发现将太赫兹技术应用于生物膜与生物分子相互作用探测的报道。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，可在接近生理真实条件下获取当前技术无法获取的信息。对专门设计的生物膜体系的太赫兹光谱测量结果可以灵敏探测生物分子与膜结合产生的低频振动变化，从而阐释这一过程中动力学层面的微妙演变。
[0006]本专利技术的目的及其技术问题的解决，可以采用以下技术方案来实现。
[0007]在第一方面中，本专利技术首先保护一种基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，配制包含目标生物膜和目标生物分子的样品；
[0009]步骤2，提供太赫兹光谱装置，所述装置上设有可容纳步骤1所述样品进行太赫兹检测的容器；
[0010]步骤3，将步骤1所述样品加入步骤2所述容器中，进行太赫兹光谱检测，得到生物膜与生物分子相互作用的太赫兹频率的光学性质。
[0011]步骤1中所述的生物膜为脂质分子在含水溶液的体系中形成的自组装结构，与生物膜相互作用的目标分子溶解于水溶液中。所述自组装结构为任意生物膜结构，包括固体支撑膜、油包水反向胶束结构、脂质体等，这些自组装结构是理想的模型生物膜系统，被国内外研究者称为“人造细胞”结构。与背景部分所述结构生物学方法所使用的晶体样品相
比，这些模型生物模系统可以保留类似真实生理调节下的水环境，并可以模拟细胞中生物膜微介观环境的诸多特性，为探索生理过程中生物膜与生物分子的相互作用及其结构和动力学特征的变化提供了合适的平台。
[0012]步骤2中所述的太赫兹光谱装置为太赫兹时域光谱仪或能提供太赫兹频段光谱测试的傅里叶变换红外光谱仪，其探测样品模式为透射模式、反射模式或衰减全反射模式。根据所使用的探测样品模式，步骤2中所述的容器为光学比色皿或衰减全反射棱镜。根据本申请的优选技术方案，所述光学比色皿由在太赫兹波段具有良好透过性的材料制成，如石英。
[0013]步骤3中所述的太赫兹频率的光学性质为样品中生物膜与生物分子相互作用所产生的光学参数的变化。所述光学参数包括吸收系数、复折射率、复介电常数等，其携带的光谱信息揭示了生物分子的集体振动、生物膜界面水分子的氢键网络振动等动力学过程，这些太赫兹频率的运动与生物分子的构象变化、膜界面处的物质传递以及水参与的生化反应等生物过程密切相关，被认为具有重要的功能意义。因此本申请将太赫兹光谱应用于生物膜与生物分子相互作用的研究，重点关注相互作用进程产生的太赫兹光谱的精细变化，以此表征这一进程中生物膜界面与生物分子上述动力学过程的演变。
[0014]作为本申请的优选技术方案，步骤1中所述的生物分子为离子、多肽、蛋白质、核酸、糖类中的一种或多种。
[0015]作为本申请的优选技术方案，步骤1中所述生物膜的主要成分为脂质，包括甘油磷脂、鞘磷脂、类固醇等；次要成分为蛋白质或糖类，根据探测实际需要选择性的添加。
[0016]优选的，所述甘油磷脂为磷脂酰胆碱、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸中的一种或多种；如所述甘油磷脂可以单独的为磷脂酰胆碱、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸，也可为磷脂酰胆碱和磷脂酰甘油，磷脂酰胆碱和磷脂酰丝氨酸，磷脂酰甘油和磷脂酰丝氨酸，磷脂酰胆碱、磷脂酰甘油和磷脂酰丝氨酸按比例混合而成。
[0017]应该理解的是，根据太赫兹光谱装置的探测样品模式，可以选择不同类型的生物膜结构，以获得最佳的探测灵敏度。例如，当探测模式为透射模式时，可以选择油包水反向胶束或脂质体形式的生物膜样品；当探测模式为衰减全反射模式时，可以选择固体支撑膜形式的生物膜样品。
[0018]作为本申请的一个优选技术方案，所述生物膜的结构为油包水反向胶束，所述反向胶束内部为含有与生物膜相互作用的目标生物分子的水相，外部为油相。所述油相为溶解有脂质分子的、在太赫兹频率范围内具有良好的光学透过性的试剂，如十六烷。这一形式的生物膜结构内部的水相环境类似细胞或含膜细胞结构内部，是最经典的生物膜模型之一。油包水反向胶束形式的样品可以实现将目标生物分子控制在反向胶束内部微纳米尺度的水相内，减少了无关水分子的信号干扰，有利于高灵敏度的太赫兹光谱探测。
[0019]优选的，所述反向胶束生物膜样品的制备包括以下步骤：
[0020]1)将目标生物分子溶解于缓冲液，作为反向胶束乳液的水相；
[0021]2)将用于构成生物膜的全部脂质溶解于有机试剂中，作为反向胶束乳液的油相；
[0022]3)将所述水相加入所述油相中，通过施加机械应力，得到均一、稳定的油包水乳液样品。
[0023]优选的，所述机械应力为采用涡旋、搅拌、超声中的一种或多种产生。
[0024]在一个具体的实施例中，所述油相和水相的体积比可以为4:1，9:1，19:1等，优选
为19:1。
[0025]在一个具体的实施例中，各项光学参数的计算方法如下：
[0026]对透射模式测量，频率为ν处的吸收系数α(ν)基于样品检测腔长度d、空比色皿的太赫兹信号强度Ir(ν)和透过样品的太赫兹信号强度Is(ν)计算：
[0027]α(ν)＝d
‑1ln[I
r
(ν)/I
s
(ν)]；
[0028]折射率n(ν)基于通过空比色皿的太赫兹信号相位Φr(ω)和透过样品的太赫兹信号相位Φs(ω)计算：
[0029]n(ν)＝n
r
(ν)+c(2πνd)
‑1(φ
s
(ν)
‑
φ
r
(ν))；
[0030]折射率虚部k(ν)基于以下公式计算：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，配制包含目标生物膜和目标生物分子的样品；步骤2，提供太赫兹光谱装置，所述装置上设有可容纳步骤1所述样品进行太赫兹检测的容器；步骤3，将步骤1所述样品加入步骤2所述容器中，进行太赫兹光谱检测，得到生物膜与生物分子相互作用的太赫兹频率的光学性质。2.根据权利要求1所述的基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，其特征在于，步骤1中所述的生物膜为脂质分子在含水溶液的体系中形成的自组装结构，其中与生物膜相互作用的目标生物分子溶解于溶液中；优选的，所述自组装的形式为固体支撑膜、油包水反向胶束结构、脂质体中的一种。3.根据权利要求2任一所述的基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，其特征在于，所述脂质为甘油磷脂、鞘磷脂、类固醇中的一种或多种；更优选的，所述甘油磷脂为磷脂酰胆碱、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸中的一种或多种。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的基于太赫兹技术探测生物膜与生物分子相互作用的方法，其特征在于，步骤1中所述的生物分子为离子、多肽、蛋白质、核酸、糖类中的一种或多种。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕军鸿，张广旭，唐朝，王亚迪，
申请(专利权)人：济南微生态生物医学省实验室，
类型：发明
国别省市：