北理工宇航學(xué)院研究單分子鍵強(qiáng)度取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2014-08-26 供稿：宇航學(xué)院 李德昌
編輯：科學(xué)技術(shù)研究院 謝非 閱讀次數(shù)：
一直以來，單分子鍵的性質(zhì)是生物物理、生物力學(xué)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題,是人們理解細(xì)胞-細(xì)胞間相互作用、信號(hào)傳遞，以及分子藥物設(shè)計(jì)等前沿問題的重要理論基礎(chǔ)。力譜方法是人們研究單分子鍵性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)手段，如圖1所示。力譜方法主要是測(cè)量單分子鍵在不同加載速率下的斷裂強(qiáng)度，從而獲取單分子鍵的重要性質(zhì)，如斷裂勢(shì)壘高度 ，勢(shì)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(rèn)為單分子鍵的斷裂強(qiáng)度是隨著加載速率的下降而下降的。但是隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，越來越低的加載速率的實(shí)現(xiàn)，使人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載速率下降到一特定值后，單分子鍵的斷裂強(qiáng)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(diǎn)是相悖的。
北京理工大學(xué)宇航學(xué)院生物力學(xué)與生物材料實(shí)驗(yàn)室李德昌博士和季葆華教授通過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的理論模型預(yù)測(cè)單分子鍵的強(qiáng)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(jī)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(jīng)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(jī)理建立理論模型，成功分析了單分子鍵的斷裂強(qiáng)度在超低加載速率下呈現(xiàn)飽和狀態(tài)（斷裂強(qiáng)度不隨加載速率變化而變化）的物理機(jī)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(qiáng)度不僅與單分子鍵本身的性質(zhì)有關(guān)，并且與測(cè)量?jī)x器的剛度有關(guān)，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(qiáng)度及其斷裂行為，并為測(cè)定單分子鍵的性質(zhì)重新設(shè)定力譜實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
圖1. 力譜方法測(cè)量單分子鍵性質(zhì)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(shì)壘高度， 為勢(shì)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(qiáng)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(cè)定單分子鍵的強(qiáng)度的方法。（該圖摘自于Dechang Li and Baohua Ji, PRL 112, 078302 (2014)）。
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