集成纳米机器人的蛋白质折叠密码破译芯片设计与制造的基础理论研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51905097
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Diseases, including Parkinson’s disease and Alzheimer's disease, caused by protein folding have become a great threat to the health of old people, which will impose an additional burden to the patient's family. Investigation of the dynamic process of protein folding (unfolding) and misfolding is essentially significant as it will help to unveil the mystery of pathogenic mechanism of protein folding and search for an effective treatment that can cure those diseases. In this proposal, a functionalized chip integrated with a nanorobot that offers treatment and therapy of fold diseases is designed, this chip could be potentially used to characterize the folding states of a protein and identify the protein folding pathways. The chip is composed of a silicon nitride membrane with five nanopores and a nanorobot. All the five nanopores are coated with gold gate electrodes. Four nanopores located in the corners of a square are used to drive the motion of the nanorobot, while the nanopore located at the center of the square is used for protein sensing. The nanorobot is composed of four double-stranded DNAs and a nanoparticle, the nanoparticle acts as a manipulator that also connects the target protein molecules. By tuning the bias voltage on the gate electrode, the strength as well as the direction of the electroosmotic flow could be well controlled, thus the precise manipulation of the target protein could be realized by controlling the motion of the manipulator,which can keep the target protein residing inside the nanopore sensing region. The proposed chip integrated with a nanopore sensor and a nanorobot is featured with easy fabrication, low cost and high precision, which has the most potential to be widely used for human diagnosis in the near future.
包括帕金森病和老年痴呆症等疾病在内的蛋白质折叠病严重威胁到了老年人群的健康,甚至会增加患者家庭的负担。研究蛋白质(解)折叠和错误折叠的过程及规律对破解蛋白质折叠密码科学意义重大,对阐明蛋白质折叠病的致病机制和寻求有效的治疗方法至关重要。本项目提出设计研发一种内部集成有纳米机器人的蛋白质折叠病诊疗芯片,用于检测蛋白质的折叠状态和识别其折叠路径。该芯片主要由修饰有门电极的五纳米孔氮化硅薄膜(其中四个纳米孔位于矩形顶点用于驱动纳米机器人,一个纳米孔位于矩形几何中心作为蛋白质检测单元)以及DNA/纳米颗粒组装而成的纳米机器人组成,纳米颗粒作为机械手与待测蛋白质连接。通过调节门电极的电位控制矩形顶点四个纳米孔的电渗流强度和方向,结合电泳驱动可以控制机械手的运动从而实现对待测蛋白质的精准操控,使其稳定在矩形中心的纳米孔传感区。该芯片具有易集成制造、成本低和精度高等优点,将被广泛运用,造福人类。

结项摘要

基于微纳机电系统MEMS/NEMS开展微纳尺度流体传感和驱动的研究有助于解决人类对智能检测、精准医疗领域的重大需求。项目团队在纳米通道内离子输运机制与应用研究方面,通过分子动力学模拟对离子电流与纳米孔几何形状的对应关系进行了系统的研究,结合离子电导率分布和传统欧姆定律提出了计算具有不同亲疏水性和纳米孔形状的离子电流精确计算模型;研究了使用串联纳米孔系统泵送离子的可行性,通过调控纳米孔阵列数和纳米孔表面电荷密度实现了纳米孔空腔的高效脱盐。在基于纳米孔的单分子检测和测序方面,通过仿真技术系统研究了DNA碱基扰动离子电流的机理,新探索了MspA纳米孔的有效传感区并实现了DNA的单碱基辨识;基于类苯分子与MoS2薄膜的强相互作用,通过调控多肽中类苯残基的含量,使得蛋白质过孔速度降低了一个量级,实现了蛋白质的检测。在纳米流体中的单分子驱动与操控技术方面,提出将原子力显微镜与纳米孔传感系统进行集成,控制DNA通过固态纳米孔的速度并提高DNA检测的灵敏度;理论设计了MoS2/SnS2异质结构检测平台,驱动多肽沿着设计的异质结构路径将蛋白质移动到目标纳米孔并实现了多肽组分的辨识;通过向溶液中添加含疏水链的DDM与蛋白质疏水氨基酸结合,使蛋白质分子通过MoS2纳米孔的速度降低一个数量级,而且不影响对单个氨基酸的区分。在基于阵列纳米孔驱动的纳米颗粒-DNA自组装纳米机器人设计方面,从理论上设计了一个纳米颗粒-DNA自组装的纳米机器人,可以沿着固态膜表面移动,结合电泳和电渗可用于驱动纳米机器人沿石墨烯膜表面在所需方向上移动;通过进一步预设操控策略,简单地切换纳米孔编码和外加电场,实现了包括纳米机器人捕获、释放、跳跃和爬行的多模式智能驱动。本文的研究有望在不久的将来实现集成微纳操控技术的精准医疗,造福人类。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Unveiling the Microscopic Mechanism of Current Variation in the Sensing Region of the MspA Nanopore for DNA Sequencing
揭示用于 DNA 测序的 MspA 纳米孔传感区电流变化的微观机制
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c02414
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Yu Meng;Si Wei;Zeng Tao;Chen Chang;Lin Xiaojing;Ji Zhouxiang;Guo Fei;Li Yuxiang;Sha Jingjie;Dong Yuliang
  • 通讯作者:
    Dong Yuliang
Navigated Delivery of Peptide to the Nanopore Using In-Plane Heterostructures of MoS2 and SnS2 for Protein Sequencing
使用 MoS2 和 SnS2 的面内异质结构将肽导航递送至纳米孔进行蛋白质测序
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.2c00533
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    The Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Si Wei;Yuan Runyi;Wu Gensheng;Kan Yajing;Sha Jingjie;Chen Yunfei;Zhang Yin;Shen Yang
  • 通讯作者:
    Shen Yang
A Nanoparticle-DNA Assembled Nanorobot Powered by Charge-Tunable Quad-Nanopore System
由电荷可调四纳米孔系统驱动的纳米粒子-DNA 组装纳米机器人
  • DOI:
    10.1021/acsnano.0c05779
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ACS Nano
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Si Wei;Yu Meng;Wu Gensheng;Chen Chang;Sha Jingjie;Zhang Yin;Chen Yunfei
  • 通讯作者:
    Chen Yunfei
Manipulation of DNA transport through solid-state nanopores by atomic force microscopy
通过原子力显微镜操纵 DNA 通过固态纳米孔的运输
  • DOI:
    10.1088/2053-1591/abb856
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    MATERIALS RESEARCH EXPRESS
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Si Wei;Yang Haojie;Wu Gensheng;Chen Chang;Yu Meng
  • 通讯作者:
    Yu Meng
Encoding Manipulation of DNA‐Nanoparticle Assembled Nanorobot Using Independently Charged Array Nanopores
使用独立带电阵列纳米孔对 DNA 进行编码操作 – 纳米粒子组装纳米机器人
  • DOI:
    10.1002/smtd.202200318
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
    Small Methods
  • 影响因子:
    12.4
  • 作者:
    Si Wei;Zhu Zhendong;Wu Gensheng;Zhang Yin;Chen Yunfei;Sha Jingjie
  • 通讯作者:
    Sha Jingjie

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其他文献

环境规制对企业利润率的影响机理研究——基于广西壮族自治区糖厂的微观数据
  • DOI:
    10.14120/j.cnki.cn11-5057/f.2021.08.006
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    管理评论
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    葛静芳;司伟;孟婷
  • 通讯作者:
    孟婷
面平均雨量误差和产流量误差修正的对比研究——以富江流域为例
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国农村水利水电
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    司伟;余鸿慧;包为民;瞿思敏;张乾
  • 通讯作者:
    张乾
腹腔镜胰十二指肠切除术340例报告
  • DOI:
    10.19538/j.cjps.issn1005-2208.2020.02.15
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国实用外科杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘军;许世峰;杨凤辉;李春友;于光圣;公伟;孟凡迎;徐延田;李光兵;郑顺贞;曹昱琨;郑元文;王建平;司伟
  • 通讯作者:
    司伟
青藏高寒地区真实环境冻融作用的量化与统计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    江苏大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    司伟;马骉;仁乾龙珠;格桑泽仁;李宁
  • 通讯作者:
    李宁
青藏公路沿线真实环境冻融次数变化分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国科技论文
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    司伟;胡永平;马骉;仁乾龙珠;格桑泽仁
  • 通讯作者:
    格桑泽仁

其他文献

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司伟的其他基金

基于纳米孔阵列的编码式纳米机器人驱动与操控关键技术研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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