生物物理学 & 纳米科学
本系生物物理与纳米科学组由张博士代表. 纳塔莉亚·格瓦拉博士. 胡安·格瓦拉博士. 安德烈亚斯·汉克博士. 金亨俊(HyeongJun金)和金博士(Dr. 艾哈迈德Touhami. 他们参与了几个多学科项目,包括DNA构象变化和蛋白质结合的基本方面, 单个DNA分子的动力学和光谱学, 生物表面的纳米结构和纳米力学特性, 操纵活细胞中的单个分子, 低密度脂蛋白(LDL)/DNA相互作用. 目标不仅是在分子水平上建立对生命过程的基本理解,而且还有助于开发新的生物启发材料. 这些高度跨学科的项目为本科生和研究生在物理界面工作提供了大量的研究和培训机会, chemistry, biology, 和纳米科学.
DNA和蛋白质
研究领域
- 低密度脂蛋白介导细胞转染
血浆低密度脂蛋白水平升高, LDL, 与动脉粥样硬化等心血管疾病相关, diabetes, and stroke. 我们的研究重点是阐明载脂蛋白B100的功能, LDL中的主要载脂蛋白, VLDL, 和其他低密度脂蛋白. 载脂蛋白B100的初级结构是由博士实验室的化学测定. 1980年代中期贝勒医学院的杨朝宇和劳伦斯·陈. 载脂蛋白B100是一种4,536种氨基酸除了结合脂质外几乎没有其他功能的线索. 我们已经确定了载脂蛋白B100序列的区域, 哪些与信号蛋白中的重要结构域相似或类似, 转录因子, ribonuclear蛋白质, 病毒蛋白. 我们通过实验证明,LDL与核酸结合,在体外使用多种细胞类型和大鼠体内具有运输和传递DNA的能力. 我们有证据表明,来自人类巨细胞病毒(HCMV)血清阳性个体的LDL携带病毒基因组,其他研究人员也从丙型肝炎病毒携带者身上获得了类似的证据. 我们有实验证据表明,载脂蛋白B100分子的两个区域结合DNA和一个区域的合成肽的功能类似于黄病毒科病毒的衣壳蛋白, 丙型肝炎, 黄热病, West Nile, 以及登革热病毒. 我们的观察结果强烈提示载脂蛋白B100是免疫反应的成员蛋白. 我们的假设是,已被证明介导载脂蛋白B100分子构象的脂质在LDL从循环中清除入侵微生物的核酸的作用中很重要.
ldl介导的GFP基因传递 in vivo 转染大鼠的冰冻切片
研究教师
单分子生物物理
单分子检测和操作的最新进展为研究复杂系统的结构分布和动力学提供了巨大的希望. 我们开发并使用单分子方法来解决蛋白质中的关键问题, 核酸与细胞动力学和功能. 这些新方法提供了前所未有的能力,可以直接探测生物和细胞系统的静态和动态异质性, 在平衡和非平衡条件下. 例如, 直接观察蛋白质折叠和错误折叠的多个步骤和途径, 实时观察和研究单个细菌的细胞生长和分裂, 而直接观察和测试活细胞中抗菌肽的作用机制是我们正在开发和应用的单分子方法的一些重要功能.
我们目前的研究主要集中在以下几个方面:
- 细菌结构和动力学
- 生物细丝力学
- 蛋白质折叠、错误折叠和聚集
- Lipid-Protein交互
- 生物分子的统计力学
- Protein-DNA交互
细菌结构和动力学
我们将原子力显微镜(AFM)与荧光方法相结合,研究不同微生物活细胞在其生理介质中的结构和物理特性,以便在亚纳米分辨率下探索细胞表面动力学,如柔性蛋白质结构域和生长过程(肽聚糖网络), 细胞壁周转, 和除法现象). 空间和时间同步的原子力和全内反射荧光显微镜用于监测时间依赖性过程,如与细胞壁化合物和外部介质(酶)之间相互作用相关的表面形态变化, 抗体, 和药物).
生物细丝力学
菌毛是一种从细菌细胞壁延伸几微米的聚合物细丝. They are involved in binding not only to host mammalian cells but also to abiotic surfaces; further, 它们对表面运动很重要, 生物膜的形成, 水平基因转移. 我们正在使用光镊(OT)和全内反射荧光(TIRF)技术来探索和观察这些分子机器是如何移动的, bind, and unbind? 它们的机械性能如何受到生理和环境条件变化的影响? 这类实验的未来在于对界面相互作用的详细理解, 比如细胞支持, cell–cell, 细胞-药物相互作用.
蛋白质折叠、错误折叠和聚集
正确的折叠对蛋白质的功能至关重要. 错误的折叠会改变蛋白质的形状,从而改变它与其他分子的相互作用. 如果折叠出错,蛋白质就会停止工作,或者更糟,以有害的方式发挥作用. 例如,阿尔茨海默病是由错误折叠的蛋白质引起的. 我们对轻链淀粉样变性特别感兴趣, 一种以单克隆免疫球蛋白轻链作为淀粉样原纤维沉积为特征的错误折叠疾病,可影响多个器官, 导致功能障碍.
Lipid-Protein交互
MinD是参与大肠杆菌分裂位点选择的外周成员atp酶. 它的活性受到MinE的刺激,但只有在磷脂和MinC存在的情况下. 我们正在使用合成和天然磷脂的囊泡作为这些研究的模型系统. 基于afm的单分子力光谱与荧光技术相结合,使我们能够实时和单分子分辨率地研究Min系统蛋白与磷脂之间的不同相互作用.
研究教师
卡西米尔效应
纳米机械系统的日益小型化需要理解纳米尺度上的基本力. 当金属或电介质表面之间的距离减小到亚微米范围时, 纯量子电动力学起源的力出现了. 1948年,H. B. G. 卡西米尔的两个无限延伸,完美导电,电中性板在真空中. 卡西米尔力可以理解为由于边界的存在对真空中电磁场的量子涨落的修正而产生的. 由于它是一种波动引起的力, 卡西米尔力对相互作用物体的几何和光学性质都有很强的依赖性.
In 2001, 贝尔实验室的研究人员率先进行了实验,证明了使用卡西米尔力作为微机械部件驱动力的可能性. 这些实验建立了量子电动力学效应在微纳米机械系统(MEMS和NEMS)中的重要性。, 因此,基础物理和现实世界的技术应用的融合. 在发展的同时, 在过去十年中,在预测复杂几何形状和材料的卡西米尔力方面取得了重大进展, 在实际的纳米机械系统中经常遇到.
计算单元用于计算电磁卡西米尔力之间
一个平面和纳米尺度的沟槽阵列由应力张量
研究教师
凝聚态
Dr. Martirosyan的研究主要集中在实验凝聚态物理上,研究了纳米结构系统中广泛的固态现象. 他的研究主要集中在两个方面:第一, 利用高能量系统生产用于输运研究的新型纳米材料, energy, environmental and biomedical applications; second, 阐明纳米相关的物理现象. 目前正在进行积极的研究,以探索高密度纳米能系统, magnetic, 铁电, 多铁性, 用于生物医学成像和药物输送系统的超导体装置和各种造影剂. 该研究涉及材料的设计、制造和物理性质的表征. 他是《金沙中国》和《金沙中国》的编辑委员会成员,并参加了CBET部门的几个NSF小组.
纳米铝的TEM图像和形貌
用于纳米能气体发生器的粒子.
研究教师