交换相互作用和弛豫时间可调的杂化双自由基的设计合成与高场动态核极化性能研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21871210
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0112.功能分子/材料的合成
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Dynamic nuclear polarization (DNP) is a powerful technique to increase sensitivity of solid-state nuclear magnetic resonance and have found wide applications in the fields of structural biology and material science. Development of new efficient polarizing agents is of crucial importance for high-field DNP. However, development of the polarizing agents based on the most commonly used homogeneous biradicals has confronted with a bottleneck. Our previous studies demonstrated that heterogeneous trityl-nitroxide (TN) biradicals are the most promising high-field polarizing agents. However, the factors controlling their DNP properties are not clear to date and thus their DNP properties are still far away from optimization. Therefore, this project will start with design and synthesis of both trityl and nitroxide monoradicals as well as modulation of the linker nature to construct a series of TN biradicals with tunable relaxation times and spin-spin exchange interactions. Then, the correlation among molecular structure, physiochemical properties and DNP properties of TN biradicals will be comprehensively explored by electron paramagnetic resonance spectroscopy and high-field DNP technique. The biradicals with the optimal DNP properties will be opted out at this stage. Finally, based on the molecular structure of the optimal biradicals, new biradicals with specific reactivity to cysteine in proteins or targeting to lipids will be further synthesized as site-specific polarizing agents. The application potential of these polarizing agents in studying structure and dynamics of membrane proteins will be explored using KcsA and ASR as protein models. The present project will shed new lights on synthesis of highly efficient high-field DNP polarizing agents and thus promote development of the high-field solid-state nuclear magnetic resonance technique.
动态核极化(DNP)技术是增强固体核磁共振灵敏性的强有力手段,在结构生物学和材料学等领域应用广泛。极化剂是高场DNP技术发展的关键要素,但现有基于同源双自由基的极化剂研发已面临瓶颈。申请人前期工作证实,trityl-氮氧(TN)杂化双自由基是目前最有前景的高场极化剂,但其DNP调控机制尚未明确,且性能远未最优化。为此,本项目拟通过合成结构新颖的trityl和氮氧单自由基,并调节二者间的连接链属性,以实现弛豫时间和交换相互作用等性质可调的TN双自由基的构建;采用电子顺磁共振波谱和高场DNP技术等揭示双自由基的分子结构、理化性质与DNP性能间的内在联系,筛选出性能最佳的极化剂;基于此,合成靶向半胱氨酸和脂质体的位点特异性极化剂,并以KcsA和ASR为蛋白模型探索新型极化剂在膜蛋白结构与动力学研究方面的应用潜质。本项目的有效实施将为高场极化剂研发提供理论指导,势必助力高场固体核磁共振技术的发展。

结项摘要

高场固体核磁共振(ssNMR)的内在低灵敏性是限制其结构生物学应用的重要原因,而动态核极化(DNP)技术是增强高场ssNMR灵敏性的有效手段。极化剂研发是促进DNP技术发展的关键,也是该领域近十年的研究热点。本项目以极化剂研发领域最有前景的trityl-nitroxide(TN)双自由基为研究对象,通过调节双自由基的理化性质(特别是交换相互作用和弛豫时间)实现高效极化剂的构建,取得的主要标志性研究成果如下:(1)证实了亲水性、交换相互作用以及弛豫时间是调节TN双自由基的高场DNP性能的关键因素。(2)得到了高亲水性以及交换相互作用和弛豫时间可控的三个系列极化剂(NATriPols、SNAPols和StaPols),可作为高性能的“分散型”极化剂。(3)极化剂SNAPol-1和StaPol-1对蛋白质的高场DNP增强倍数超过了100,刷新了现有极化剂的DNP增强记录,是极化剂研发领域的新突破。(4)采用不同的侧链以及对位取代基实现trityl自由基的螺旋构型、水溶性以及稳定性的可控调节,为trityl自由基研发提供了新策略。除了项目的既定研究目标,本项目还探索了SNAPol-1和StaPol-1在细胞内DNP领域的应用前景。本项目所取得的研究成果不但为理化性质可调的trityl自由基研发提供了很好的思路,可有效推动trityl自由基在磁共振领域的广泛应用,同时也为高性能高场极化剂研发提供了借鉴,为推动了ssNMR技术在细胞内蛋白质结构与动力学方面的应用奠定了坚实基础。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A mitochondria-targeted nitric oxide donor triggered by superoxide radical to alleviate myocardial ischemia/reperfusion injury.
由超氧自由基触发的线粒体靶向一氧化氮供体,可减轻心肌缺血/再灌注损伤。
  • DOI:
    10.1039/c8cc07304j
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Chem Commun (Camb)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Hou Jingli;He Haiyan;Huang Saipeng;Qian Meng;Wang Jie;Tan Xiaoli;Han Guifang;Song Yuguang;Xu Zhelong;Liu Yangping
  • 通讯作者:
    Liu Yangping
Postmodification via Thiol-Click Chemistry Yields Hydrophilic Trityl-Nitroxide Biradicals for Biomolecular High-Field Dynamic Nuclear Polarization
通过硫醇点击化学进行后修饰产生亲水性三苯甲基氮氧化物双自由基,用于生物分子高场动态核极化
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcb.0c08321
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    The Journal of Physical Chemistry B
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Weixiang Zhai;Aless;ra Lucini Paioni;Xinyi Cai;Siddarth Narasimhan;João Medeiros-Silva;Wenxiao Zhang;Antal Rockenbauer;Markus Weingarth;Yuguang Song;Marc Baldus;Yangping Liu
  • 通讯作者:
    Yangping Liu
Discriminative Detection of Biothiols by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy using a Methanethiosulfonate Trityl Probe
使用甲硫基磺酸盐三苯甲基探针和电子顺磁共振波谱通过硫醇捕获技术区分检测生物硫醇
  • DOI:
    10.1002/anie.201912832
  • 发表时间:
    2019-11-18
  • 期刊:
    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Tan, Xiaoli;Ji, Kaiyun;Liu, Yangping
  • 通讯作者:
    Liu, Yangping
Highly bioresistant, hydrophilic and rigidly linked trityl-nitroxide biradicals for cellular high-field dynamic nuclear polarization.
用于细胞高场动态核极化的高度生物抗性、亲水性和刚性连接的三苯甲基氮氧双自由基
  • DOI:
    10.1039/d2sc04668g
  • 发表时间:
    2022-12-07
  • 期刊:
    Chemical science
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
  • 通讯作者:
Highly Efficient Trityl-Nitroxide Biradicals for Biomolecular High-Field Dynamic Nuclear Polarization
用于生物分子高场动态核极化的高效三苯甲基氮氧双自由基
  • DOI:
    10.1002/chem.202102253
  • 发表时间:
    2021-07-22
  • 期刊:
    CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Cai, Xinyi;Paioni, Alessandra Lucini;Liu, Yangping
  • 通讯作者:
    Liu, Yangping

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荧光自旋捕获探针的合成及ESR捕获研究
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    --
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杜立波;刘阳平;周建威;刘扬
  • 通讯作者:
    刘扬
辫状河砂岩储层三维地质模型重构技术--以冀东油田高尚堡区块新近系馆陶组为例
  • DOI:
    10.12108/yxyqc.20220415
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    岩性油气藏
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘阳平;吴博然;于忠良;余成林;王立鑫;尹艳树
  • 通讯作者:
    尹艳树

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基于trityl/nitroxide多自由基的高场动态核极化剂研发及其生物应用研究
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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

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          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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