7月9日线上讲座| 《从单分子水平研究脂滴膜和膜蛋白》

主题：Investigating lipid membranes and membrane proteins at the single-molecule level

[报告简介]

脂滴是一种复杂、活动旺盛、动态变化的多功能细胞器，参与膜转运、蛋白降解，以及信号传导等生命过程，但是脂滴具有很高的可变性，现有的技术无法捕获其动态并研究其性质。Lumicks C-Trap将光镊系统、先进的实时成像技术和微流控系统结合以进行脂滴的捕获、操控和可视化，研究其在不同实验条件下的结构性质。

本次线上报告将主要介绍在通过相关荧光-光镊系统C-trap研究脂滴膜和膜蛋白的相互作用。它适用于对膜（蛋白质）相关课题和该领域新进展感兴趣的研究人员。报告会ZD介绍光镊技术的原理以及实现单分子操作的过程，通过荧光光镊研究脂滴和膜蛋白的作用以及脂滴融合的过程，以及在利用荧光光镊系统研究脂滴和膜蛋白作用的新研究进展。

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[主讲人介绍]

Bärbel Lorenz博士，Lumicks ZS应用工程师

Bärbel Lorenz博士，本科毕业美因茨大学生物化学专业，研究上皮细胞膜弹性，博士阶段于德国哥廷根大学，研究功能化脂质膜间相互作用，博后加入丹麦哥本哈根纳米科学ZX研究人工合成油滴与矿物表面的相互作用。她在单分子水平研究脂质膜结构和膜蛋白相互作用方面有着丰富的经验。

[报告时间]

开始  2020年07月09日  15:00

结束  2020年07月09日  15:40

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主题：Single-Molecule Studies Probe Critical Steps in the HIV-1 Life Cycle

[报告简介]

    逆转录病毒核衣壳蛋白（NC）在病毒的生命周期中起着重要的作用，控制着逆转录和衣壳脱壳的时间。Micah McCauley教授课题组发现在逆转录过程中，HIV-1 NC促进了核酸二级结构的重排，而在病毒组装过程中，NC蛋白作为组特异性抗原多蛋白（Gag）的一个结构域，以其特异性结合基因组RNA，并促进RNA包装成新的病毒粒子。结合单分子光镊测量和基于mfold的定量模型，发现当NC蛋白和Gag蛋白都破坏了TAR发夹的稳定性时，Gag蛋白有两个结合位点，而NC蛋白的作用靶点在顶端环附近。利用Lumicks C-Trap系统的新实验结合了单分子捕获和荧光成像。观察到NC蛋白诱导的双链DNA环形成，这一过程可能导致衣壳脱壳。同时可视化了单链DNA上Gag簇形成的动力学过程，这可能会驱动病毒的包装。

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[主讲人介绍]

Micah McCauley教授  美国西北大学

Micah McCauley教授2011年加入西北大学物理系，致力于通过单分子方法定量探测DNA和RNA的生物物理性质，了解这些相互作用在复制和转录等过程中的作用。具体研究来自病毒和细菌的单链DNA结合蛋白、逆转录病毒复制蛋白（如HIV-1核衣壳和Gag蛋白）、细菌聚合酶、与DNA结合并可能YZ细胞复制的小分子以及核蛋白等。

[报告时间]

开始  2020年05月22日  15:00

结束  2020年05月22日  16:00

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主题：Visualizing cellular life: From single cell imaging to in vivo single-molecule biochemistry

[报告简介]

单分子定位技术（SMLM）是可以同时提供超高的空间分辨率和定量信息的超分辨光学成像技术。在复杂的活细胞培养环境中，基于分子相互作用和组装的单细胞行为的表征和量化方面取得了巨大的进展。重要的是，单分子成像能够在活体内测定亚细胞结构的化学计量和分子结构，得到详细的、定量的、时空分辨的图像，在亚细胞水平上揭示动态异质性。

本次报告中Endesfelder教授将从样品制备开始介绍如何进行活细胞的单分子定位成像，会具体介绍许多其课题组的制样和标记技巧，包括活细胞双色PALM定量成像，样品制备细节，利用荧光小球漂移校正以及追踪密集、高动态的单分子数据。通过新的实验和分析策略来研究大肠杆菌和聚甲醛链球菌的细胞过程，分析蛋白质分布和拷贝数，确定相互作用和化学计量，解析其与细胞周期间的关系。

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[主讲人介绍]

Ulrike Endesfelder教授，德国马克斯普朗克研究所

Ulrike Endesfelder，激光与光谱学博士，毕业于比勒菲尔德大学，博后期间先后在伍尔茨堡大学和法兰克福大学从事生物物理学和合成微生物学方向的课题研究。2014年加入马克斯普朗克研究所系统与合成微生物学系，利用单分子定位技术研究微生物细胞生物学。Endesfelder教授课题组应用超分辨率显微镜的新兴领域的技术来研究微生物细胞生物学，结合成像、荧光团的光操纵和定量分析结果等，旨在对细胞结构和过程进行单分子层次的描述。

[报告时间]

开始  2020年06月30日  16:00

结束  2020年06月30日  17:00

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[报告概述]

    目前科学研究正朝着更加微观的方向发展，以揭示分子结构和运动机理。破译分子作用机制迫切需要能够在单分子水平上检测生物分子发生相互作用的方法。C-Trap荧光光镊系统是世界上diyi套实时同时操作和可视化分子相互作用的设备。它将高分辨率光镊、共聚焦显微镜与微流控系统相结合。主要应用于单分子操控和分析，包括DNA结构动力学、DNA蛋白互作、蛋白折叠与去折叠、小分子蛋白互作、细胞骨架和马达蛋白互作等方向。本次主题系列报告将为您介绍通过荧光光镊系统研究DNA转录和修复领域的Z新进展。

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报告一：Transcription Factor Binding and the Regulation of Gene Expression: Lessons from Single Molecule Experiments

    真核基因的表达过程非常复杂，在转录起始阶段即受到某些特异性转录因子的控制。同时表观遗传标记也对DNA进行修饰并进一步组装成染色质。在本次报告中，Ariel Kaplan教授将介绍如何利用单分子荧光光镊系统来研究DNA序列、组蛋白变体和表观遗传标记在调节转录因子的亲和力与反应动力学中的作用。

[报告时间]

直播时间：5月6日 21:00 - 21:45        重播时间：5月7日 15:00 - 15:45

[主讲人介绍]

Ariel Kaplan 教授, 以色列理工学院

Ariel Kaplan 教授主要研究机械力在生物学中的作用，特别是DNA参与的不同的单分子动力学进程。

报告二：Alkyltransferase-like protein 1 clusters scan DNA rapidly over long distances and recruit NER to alkyl-DNA lesions

    DNA中鸟嘌呤碱基的烷基化由于其高致突变性和细胞毒性而对细胞造成损伤，这种损伤可以被对应的转移酶AGT修复。烷基转移酶样蛋白（ATLs）在结构上与AGTs相似，并在许多生物体中被发现。虽然ATLs本身没有催化活性，但是Z新的研究发现强有力的证据表明ATLs可以通过DNA核苷酸切除修复烷基化DNA损伤。报告中将具体介绍如何在单分子水平和整体水平，解析ATL的损伤识别特异性。

[报告时间]

直播时间：5月13日 21:00 - 21:45        重播时间：5月14日 15:00 - 15:45

[主讲人介绍]

Ingrid Tessmer教授, 德国维尔茨堡大学

Ingrid Tessmer教授主要从事结构生物学、分子生物学和生物物理学等方面的研究。在单分子水平解读DNA修复过程，研究不同DNA修复系统所采用的DNA损伤识别和验证策略的普适和特定特征。诸如碱基切除修复（BER）、核苷酸切除修复（NER）和直接损伤逆转蛋白O6-烷基鸟嘌呤DNA烷基转移酶（AGT）的损伤搜索和识别。

Unravelling the mysteries of a molecular chaperone

揭示分子伴侣Hsp90的作用机制

[报告简介]

热休克蛋白90 (Hsp90)是一种由ATP驱动的分子伴侣，是参与细胞分裂和信号传导的调节等复合物的重要组成部分，也是肿瘤早期检测的新型标志物。Hsp90分子具有高度的灵活性，所以结构表征无法完全揭示诸如Hsp90构象变化的确切方式，其与核苷酸的作用，不同的结构域取向等机制。本次报告中，Kasia Tych教授将介绍通过单分子光镊技术研究Hsp90的折叠机制，Hsp90的带电柔性连接区域的作用机理，比较Hsp90的同源物并揭示核苷酸结合对Hsp90二聚体界面的稳定性影响。通过C-trap荧光光镊系统揭示理解共分子伴侣对Hsp90构象周期和单分子力学性质的影响机制的Z新进展。

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[主讲人介绍]

Kasia Tych教授    荷兰格罗宁根大学

Kasia Tych教授，博士毕业于英国利兹大学，博后期间先后在Lorna Dougan和Matthias Rief教授课题组研究极端生物蛋白的单分子生物物理和通过光镊研究热休克蛋白体系动力学性质。2020年Kasia Tych教授加入格罗宁根大学，结合荧光成像和光镊技术对热休克蛋白进行单分子层次表征，深入了解蛋白质的结构—功能—动力学关系。

[报告时间]

开始  2020年06月18日  15:00

结束  2020年06月18日  16:00

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[直播好礼]

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       在过去的十年里，红外（IR）光谱已被广泛应用于哺乳动物组织中的胶原蛋白研究。对有序胶原蛋白光谱的更好理解将有助于评估受损胶原蛋白和疤痕组织等疾病。因此，利用偏振红外光研究胶原蛋白（I型胶原和II型胶原）的层状结构和径向对称性逐渐成为研究热点。目前，基于焦平面阵列检测器的偏振远场（FF）傅立叶变换红外（FTIR）成像、偏振远场（FF）、光学光热红外（O-PTIR）以及散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的纳米红外技术在胶原蛋白领域得到广泛应用。偏振远场（FF）方法可应用于完整肌腱的截面，其纤维平行且垂直于偏振光排列。光学光热IR红外（O-PTIR）和纳米傅立叶变换红外（nano-FTIR）方法则应用于直径为100~500 nm的原纤维，在生物聚合物上共同实现互相印证和互补的结果。

       通常，I型胶原蛋白在偏振红外光下反应不同。采用基于焦平面阵列（FPA）检测的远场傅里叶变换IR（FF-FTIR）对其进行成像时，受制于蛋白质酰胺I和II的红外特征峰吸收带的波长（~7 μm）的分辨率极限，难以获取高质量的成像结果。而采用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）方法的纳米级FTIR（nano-FTIR）光谱技术，可以获得空间分辨率约为20nm的红外光谱，解决了受限于IR辐射波长的限制（通常5-10 μm）。此外，采用光学光热红外技术（O-PTIR）成像和光谱学的方法，也可以摆脱红外波长的限制，实现亚微米（500nm）的空间分辨率，为完整组织和原纤维胶原蛋白的研究打开了一个新窗口。

       近期，在Kathleen M. Gough等人的研究中^[1]，作者采用基于光学光热红外（O-PTIR）ZL技术的PSC非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统 mIRage对样品〜500 nm单点区域收集振动光谱，如图1所示。该光学光热红外（O-PTIR）技术的工作原理是光热检测，其中红外量子级联激光器（QCL）激发样品在1800–800 cm^-1光谱范围内的分子振动。产生的光热效应通过短波长探测激光器检测。图2A-B中的光谱表明，固有的激光偏振所获得的高对比度所产生的光谱与使用FTIR焦平面阵列和偏振器组合进行的光谱测试近乎一致。并且对于安装在玻璃显微镜的不同载玻片，样品均获得了具有良好SNR的高质量光谱。

图1. 完整肌腱的光学光热IR（O-PTIR）光谱，〜500 nm测量点。（A）利用线性偏振量子级联激光器（QCL）从CaF₂窗口在平行和垂直两个不同方向上获得光谱。插入的可视图像显示了6个采谱位置；比例尺= 70 µm。（B）对比从CaF₂（顶部）和玻璃（底部）载玻片在线性偏振QCL的平行和垂直方向上获得的光谱。

       光学光热红外（O-PTIR）技术可以通过在载物台上轻易地旋转样品来测试平行和垂直于红外激光偏振方向的光谱。并利用光学光热红外（O-PTIR）技术在几个单一频率下对原纤维成像，以获得表观物理宽度的确定性估计。如图2右侧所示，在垂直方向上， 1655 cm^-1处记录的单波长图像的红黄带表明该原纤维的宽度不超过500 nm。该尺寸将目标物标定为真正的原纤维，并且可与红外s-SNOM实验中检测到的300 nm原纤维相当。光学光热红外（O-PTIR）技术与nano-FTIR的测试结果相互印证，反映了“原纤维”宽度的标准范围。此外作者观察到，来自原纤维的酰胺I和II谱带比完整肌腱的窄，并且相对强度和谱带形状都发生了变化。这些光谱反映出在偏振红外光下正常I型胶原纤维的更多有用信息，并可作为研究胶原组织的基准。

图2. 从CaF₂窗口利用O-PTIR测试控制肌腱原纤维获得的光谱。用平行于激光偏振的原纤维获得的顶光谱（红色）；蓝色是垂直方向上的光谱。右侧是在垂直方向基于1655 cm^-1的单波长图像。正方形表示光谱采集位置。比例尺= 1 µm。

       与基于焦平面阵列检测器的偏振远场傅立叶变换红外（FF-FTIR）光谱相比，光学光热红外（O-PTIR）具有更高的空间分辨率，且可提供单波长光谱。使用FF-FTIR FPA探测往往包括其他非胶原材料。同时，光学光热红外（O-PTIR）还可以提供偏振平行于原纤维取向的原纤维光谱。这也是光学光热红外（O-PTIR）和纳米FTIR光谱对直径为100~500 nm的胶原原纤维给出证实性和互补性结果的首次证明。综上所述，这些结果为进一步研究生物样品中的胶原蛋白提供了广阔的基础。

参考文献：

[1]. Gorkem Bakir, Benoit E. Girouard,  Richard Wiens, Stefan Mastel, Eoghan Dillon, Mustafa Kansiz, Kathleen M. Gough, Molecules 2020, 25, 4295; doi:10.3390/molecules25184295.

分子蒸馏(Molecular Distillation)也称短程蒸馏(Short Path Distillation),是一种特殊的液液分离技术.与传统蒸馏过程不同,分子蒸馏是根据轻,重分子运动的平均自由程的不同来实现分子量不同的物质的分离.自上世纪中叶问世以来,受到了人们的高度重视.近几十年来在国际上发展迅速,已成功地在石油化工,食品,化妆品,制药等行业得到广泛应用. 现阶段对于分子蒸馏的研究大多是针对某种特定物料的分离条件来展开,纯粹的传质研究并不多见.本文利用富氧水的解吸实验对刮膜式分子蒸馏器的气液传质进行了研究,通过对富氧水中溶解氧含量的测定,对转子刮膜器的传质性能进行了初步探讨. 实验中考察了不同操作参数,包括操作温度,进料速度,刮膜器转速等因素对气液传质的影响.利用对流传质系数的经验公式GA=NAS=kcS(cAb-cAs)计算了刮膜式分子蒸馏器中的气液传质系数kc,总结出了气液传质系数kc的特殊发展规律,即:温度和进料速度对气液传质的影响较为明显,气液传质系数与温度和进料速度呈正比关系,随着温度的升高和进料速度的增大而增大;转速的变化对气液传质系数kc的影响较小. 利用数学拟合对kc的计算公式进行了数值修正,得到了修正后的经验公式.考虑到了转子转速与进料速度对与气液接触面的影响,使得该经验公式更加适用于刮膜式分子蒸馏器的kc公式.

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由北京化工大学与清华大学联合承办的“第12届国际电化学阻抗谱会议”（EIS 2023）将于2023年7月2-7日在北京举行。

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