北理工宇航学院研究单分子键强度取得新进展
发布日期：2014-08-26 供稿：宇航学院 李德昌
编辑：科学技术研究院 谢非 阅读次数：
一直以来，单分子键的性质是生物物理、生物力学研究者关注的热点问题,是人们理解细胞-细胞间相互作用、信号传递，以及分子药物设计等前沿问题的重要理论基础。力谱方法是人们研究单分子键性质的重要实验手段，如图1所示。力谱方法主要是测量单分子键在不同加载速率下的断裂强度，从而获取单分子键的重要性质，如断裂势垒高度 ，势阱宽度 ，以及解离速率 等。从Bell 1978年的Science文章(Science, 200 (4342): 618-627, 1978)开始，人们一直认为单分子键的断裂强度是随着加载速率的下降而下降的。但是随着实验技术的发展，越来越低的加载速率的实现，使人们发现，当加载速率下降到一特定值后，单分子键的断裂强度不再随着加载速率的变化而变化，这与人们一直以来的观点是相悖的。
星空手机网页版登录入口,星空(中国)宇航学院生物力学与生物材料实验室李德昌博士和季葆华教授通过研究发现，经典的理论模型预测单分子键的强度随着加载速率下降而下降的原因是没有考虑分子键发生断裂（Unbinding）后可能再次重新形成（Rebinding）的物理机理。在加载速率比较高的情况下，单分子键在断裂后重新形成的几率比较小，因此忽略该过程是可以接受的。但是，随着加载速率的下降，单分子键重新形成的概率逐渐增加。因此，单分子键在超低加载速率情况下，其断裂行为偏离了经典的理论模型。
李德昌博士和季葆华教授通过引入断裂-再形成机理建立理论模型，成功分析了单分子键的断裂强度在超低加载速率下呈现饱和状态（断裂强度不随加载速率变化而变化）的物理机理，如图2所示。另外，他们还发现单分子键在超低加载速率情况下，其断裂强度不仅与单分子键本身的性质有关，并且与测量仪器的刚度有关，如图2所示。
该论文工作将有利于研究人员重新理解单分子键在超低加载速率下的强度及其断裂行为，并为测定单分子键的性质重新设定力谱实验提供重要参考。该工作发表在Physical Review Letters 112, 078302 (2014) (全文链接: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.078302)，并得到了国家自然科学基金委的资助。
图1. 力谱方法测量单分子键性质示意图。（a）原子力显微镜；（b）光镊。（该图摘自于Sanjay Kumara and Mai Suan Li, Physics Reports 486 (2010) 1-74）。
图2. （a）单分子键相互作用模型，图中 为断裂势垒高度， 为势阱宽度，弹簧 描述的是加载系统的刚度；（b）单分子键断裂强度随加载速率的变化，右下插图示意的是采用原子力显微镜测定单分子键的强度的方法。（该图摘自于Dechang Li and Baohua Ji, PRL 112, 078302 (2014)）。
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