微流控芯片超快混合器及生物大分子折疊動力學應用研究.pdf

1、生物大分子如蛋白質或核酸的功能與其三維結構密切相關,折疊動力學研究可揭示生物大分子從自由的一級結構形成具有活性高級結構的動態(tài)過程,近年來倍受科學界重視。2005年,Science雜志將蛋白質折疊列為21世紀生命科學領域最重要挑戰(zhàn)之一。生物大分子的折疊過程一般發(fā)生在毫秒、微秒甚至是亞微秒時間水平,而啟動折疊反應則需在更短的時間內完成?？焖倩旌霞夹g能使溶液在短時間內達到完全混合從而觸發(fā)反應,是一種常被用于研究分子折疊反應的有效手段。

2、　　大分子折疊動力學研究的傳統(tǒng)工具是停流裝置,然而毫秒級的時間分辨率和大的樣品消耗量限制了其進一步應用,尤其是追蹤折疊早期動力學。本文基于微流控芯片連續(xù)流概念,提出了三種用于生物大分子折疊動力學研究的快速微混合器,為解決動力學研究領域的難點問題提供了新技術手段。主要研究結果如下:
　　(1)針對低粘度溶液,發(fā)展了一種混合時間短且結構簡單的新型Z型微混合器。通過計算流體力學模擬和實驗手段證實該混合器能在16μs內實現(xiàn)溶液的完全混合,

3、采用該混合器研究了化學發(fā)光反應動力學過程;在此基礎上,我們縮小該混合器微結構的尺寸,可以使其混合時間縮短至5.5μs,比目前最快的混沌流混合器(其混合時間是11μs)的混合速度提高了一倍;進一步采用該Z型混合器研究了人類端粒DNA序列在金屬離子存在下形成四聚體的早期折疊動力學過程,觀察到了該DNA分子由線性結構坍縮成發(fā)夾結構的實驗證據(jù)。
　　(2)針對高粘度溶液,設計了一種結構簡單,加工簡便且能快速混合的ω型混合器,通過計算流體力

4、學模擬和實際混合實驗,證明該ω型混合器能在579.4μs內實現(xiàn)粘度為水的33.6倍的溶液的完全混合,其混合時間比文獻報道的結果縮短了約1000倍;進一步利用該混合器研究了人類端粒DNA序列在分子擁擠環(huán)境下形成G-四聚體的早期折疊動力學過程,發(fā)現(xiàn)G-四聚體在分子擁擠條件下存在亞毫秒尺度的折疊事件。
　　(3)針對樣本消耗問題,提出了微流控芯片雙水力聚焦概念,并設計了一種時間窗口寬、樣品消耗量少且結構簡單的雙水力聚焦微混合器,通過計算

5、流體力學模擬和實驗評價,表明該混合器能有效實現(xiàn)兩種大分子的快速混合,且其對動力學反應的時間觀察范圍達4個數(shù)量級,可涵蓋從亞毫秒到數(shù)秒鐘(710?s-5.36s),而對兩種生物大分子的樣品消耗均小于0.55μL/min,比已有文獻減少了約1000倍;利用該混合器研究了人類端粒G-四聚體與單鏈DNA結合蛋白(SSBP)的相互作用動力學過程,發(fā)現(xiàn)SSBP的結合能觸發(fā)G-四聚體的去折疊過程,且處于高濃度Na+溶液條件下的G-四聚體其去折疊速率相