北理工宇航學院研究單分子鍵強度取得新進展
發(fā)布日期：2014-08-26 供稿：宇航學院 李德昌
編輯：科學技術研究院 謝非 閱讀次數(shù)：
一直以來，單分子鍵的性質是生物物理、生物力學研究者關注的熱點問題,是人們理解細胞-細胞間相互作用、信號傳遞，以及分子藥物設計等前沿問題的重要理論基礎。力譜方法是人們研究單分子鍵性質的重要實驗手段，如圖1所示。力譜方法主要是測量單分子鍵在不同加載速率下的斷裂強度，從而獲取單分子鍵的重要性質，如斷裂勢壘高度 ，勢阱寬度 ，以及解離速率 等。從Bell 1978年的Science文章(Science, 200 (4342): 618-627, 1978)開始，人們一直認為單分子鍵的斷裂強度是隨著加載速率的下降而下降的。但是隨著實驗技術的發(fā)展，越來越低的加載速率的實現(xiàn)，使人們發(fā)現(xiàn)，當加載速率下降到一特定值后，單分子鍵的斷裂強度不再隨著加載速率的變化而變化，這與人們一直以來的觀點是相悖的。
北京理工大學宇航學院生物力學與生物材料實驗室李德昌博士和季葆華教授通過研究發(fā)現(xiàn)，經典的理論模型預測單分子鍵的強度隨著加載速率下降而下降的原因是沒有考慮分子鍵發(fā)生斷裂（Unbinding）后可能再次重新形成（Rebinding）的物理機理。在加載速率比較高的情況下，單分子鍵在斷裂后重新形成的幾率比較小，因此忽略該過程是可以接受的。但是，隨著加載速率的下降，單分子鍵重新形成的概率逐漸增加。因此，單分子鍵在超低加載速率情況下，其斷裂行為偏離了經典的理論模型。
李德昌博士和季葆華教授通過引入斷裂-再形成機理建立理論模型，成功分析了單分子鍵的斷裂強度在超低加載速率下呈現(xiàn)飽和狀態(tài)（斷裂強度不隨加載速率變化而變化）的物理機理，如圖2所示。另外，他們還發(fā)現(xiàn)單分子鍵在超低加載速率情況下，其斷裂強度不僅與單分子鍵本身的性質有關，并且與測量儀器的剛度有關，如圖2所示。
該論文工作將有利于研究人員重新理解單分子鍵在超低加載速率下的強度及其斷裂行為，并為測定單分子鍵的性質重新設定力譜實驗提供重要參考。該工作發(fā)表在Physical Review Letters 112, 078302 (2014) (全文鏈接: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.078302)，并得到了國家自然科學基金委的資助。
圖1. 力譜方法測量單分子鍵性質示意圖。（a）原子力顯微鏡；（b）光鑷。（該圖摘自于Sanjay Kumara and Mai Suan Li, Physics Reports 486 (2010) 1-74）。
圖2. （a）單分子鍵相互作用模型，圖中 為斷裂勢壘高度， 為勢阱寬度，彈簧 描述的是加載系統(tǒng)的剛度；（b）單分子鍵斷裂強度隨加載速率的變化，右下插圖示意的是采用原子力顯微鏡測定單分子鍵的強度的方法。（該圖摘自于Dechang Li and Baohua Ji, PRL 112, 078302 (2014)）。
分享到：