生物分子和纳米生物

主要内容：

实现生命体系中生物分子的原位实时检测，在单分子水平研究生物分子的物理化学性质和生物功能，将为人们揭示生命过程的分子机制带来新的突破。本研究方向旨在发展活细胞状态下生物分子的原位实时纳米检测与表征方法，尤其是活细胞单分子检测，在单分子水平研究重要信号转导等蛋白的性质和功能。主要内容包括：

1. 建立了针对活细胞体系高性能单分子研究平台, 包括单分子荧光显微成像、超分辨荧光成像,原子力显微镜单分子力谱及其联用技术;

2. 建立了细胞信号转蛋白的单分子成像示踪方法, 单分子水平研究相关蛋白激活、转运的动力学过程.

3.建立了活细胞体系配体受体相互作用力的单分子力谱和动力学力谱测定，发展研究信号复合物稳定性和药物作用机制的新方法;

4. 建立了通过活细胞实时成像技术来研究纳米颗粒的细胞内分布和生物效应机制的方法;

5.发展用于蛋白质高灵敏检测的新型分子探针和纳米传感器

 

代表性研究工作：

1．建立信号转导相关蛋白的活细胞单分子研究手段，发展了通过表征单个蛋白活细胞动力学行为相关物理化学参数来研究信号激活及调控的研究方法，为深入了解细胞信号转导通路分子机制提供新手段。

2．提出转化生长因子受体聚集和激活的新模式：即丝氨酸/苏氨酸激酶受体在低表达量时以单体形式存在，并存在配体诱导单体发生二聚激活的新观点，结果发表在PNAS、Cell Res.等高水平期刊，并已应用于发现单对受体异聚体独立产生信号等信号通路新机制的研究以及研究发现及转化因子信号通路小分子抑制剂新机制。

配体诱导单体发生二聚激活

3．综合单分子荧光、单分子力谱和理论计算的方法，提出小分子化合物柚皮素对TGF-β信号通路影响和抗肿瘤作用的新机制，这类化合物有望成为一类新的TGF-β信号通路小分子抑制剂和抗肿瘤药物。研究结果在Chem. Coumm发表后被评为热点文章。

柚皮素通过影响TGF-b信号通路抑制肿瘤

4．建立了可研究信号通路蛋白配受体结合稳定性的活细胞单分子力谱技术，进而用来研究不同药物对信号转导的影响，如发现抗肿瘤药物Herceptin的具有影响受体异聚，从而抑制细胞的生长的作用，为临床药物作用机制的研究提供新的依据。研究结果在Experimental Cell Research发表后被评为当期首篇Highlights文章。

抗肿瘤药物Herceptin通过影响受体异聚抑制肿瘤细胞生长

5．通过AFM与荧光联用技术研究发现心肌细胞之间新的通讯方式-膜纳米管，并发现膜纳米管在传输纳米材料、钙信号等方面的新性能，被认为将可能改写教科书上对心肌细胞电信号连接的定义。相关研究成果发表在Cardiovascular Res.，该杂志对此发表了长达2页的评论介绍其重要性，认为将可能改写教科书上对心肌细胞电信号连接的定义。

AFM与荧光联用技术研究发现心肌细胞之间新的通讯方式-膜纳米管

6．利用单分子/单颗粒水平的荧光成像示踪平台，研究纳米颗粒在细胞中的输运，为纳米材料生物学效应的研究提供高灵敏研究方法，如发现碳纳米管能直接穿过细胞壁，携带不同分子进入不同的细胞器。研究成果在Nano Letters上 Nano Lett.发表后,引起广泛关注，被《Nature.China》列为一周亮点报道，并由《Nature Asia》和Nanowerk纳米网站分别做采访报道。

单分子荧光成像方法研究纳米颗粒在细胞中的输运

7. 建立了多种基于核酸适体的蛋白质检测新方法，发展能更有效地进行蛋白质单分子水平检测的新型纳米生物传感器，发展通过筛选特异结合肿瘤细胞的核酸适体进行肿瘤诊治的新技术， 相关论文在Acc. Chem. Res., Angew. Chem.等期刊发表，入选2010年中国百篇最具影响国际学术论文。

单分子水平检测蛋白质的新型纳米生物传感器

国内外影响：

研究成果先后发表在PNAS、Acc. Chem. Res., Angew. Chem.  等高水平国际期刊发表论文50篇，受到国际同行高度关注，被Acc. Chem. Res, Ann. Rev. Phy. Chem., Nanomedcine，Anal. Bioanal. Chem. 等知名期刊邀请撰写活细胞单分子检测的综述。在国内外学术会议做大会和分会邀请报告30多次, 担任International Journal of Nanomedicine，American Journal of Biomedical Sciences，《分析化学》期刊编委。作为第一执行主席组织了“生物体系中的单分子成像、光谱及操纵”第355次香山科学会议国际学术讨论会。2007年任科技部纳米重大科学研究计划单分子单细胞检测项目首席科学家，2012获得滚动支持。

 

代表性论文：

1.          X. Shi, X. Zhang, T. Xia, X. Fang. Living Cell Study at the Single Molecule and Single Cell Levels by Atomic Force Microscopy. Nanomedicine, 2012, 7, 1625-1637

3.           S. Liu, X. Zhang, W. Luo, Z. Wang, X. Guo, M. Steigerwald, X. Fang. Single-Molecule Detection of Proteins Using Aptamer-Functionalized Molecular Electronic Devices. Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 11, 2496-2502.

4.           K. He, X. Shi, X. Zhang, S. Dang, X. Ma, F. Liu, M. Xu, Z. Lv, D. Han, X. Fang, Y. Zhang. Long-distance intercellular connectivity between cardiomyocytes and cardiofibroblasts mediated by membrane nanotubes. Cardiovasc. Res., 2011, 92，39-47

5.           Y. Yang, Y. Xu, T. Xia, F. Chen, F. Zhang, W. Liang, X. Fang. A single-molecule study of inhibition effect of Naringenin on transforming growth factor-b ligand-receptor binding. Chem. Commun., 2011, 47, 2982-298

6.           X. Fang, W. Tan. Aptamers Generated from Cell-SELEX for Molecular Medicine：A Chemical Biology Approach. Acc. Chem. Res., 2010, 43, 48-57

7.           K. He, W. Luo, Y. Zhang, F. Liu, D. Liu, L. Xu, L. Qin, C. Xiong, Z. Lu, X. Fang, Y. Zhang. Intercellular transportation of quantum dots mediated by membrane nanotubes. ACS Nano, 2010, 6, 3015-22

8.           W. Zhang, J. Yuan, Y. Yang, L. Xu, Q. Wang, X. Fang, Y. Chen. Monomeric Type I and Type III Transforming Growth Factor-β Receptors and Their Dimerization. Cell Res., 2010, 20, 1216-1223

9.           Q. Liu, Y. Zhao, Y. Wan, J. Zheng, X. Zhang, C. Wang, X. Fang, J. Lin. Study of the Inhibitory Effect of Water-Soluble Fullerenes on Plant Growth at the Cellular Level. ACS Nano, 2010, 10, 5743-5746

10.       W. Zhang, Y. Jiang, Q. Wang, X.Ma, Z. Xiao, W. Zuo. X. Fang, Y.-G. Chen. Single Molecule Imaging Reveals Transforming Growth Factor-b-induced Type II Receptor Dimerization. PNAS, 2009, 106, 15679-15683

11.       X. Shi, L. Xu, J. Yu, X. Fang. Study of Inhibition Effect of Herceptin on Interaction Between Heregulin and ErbB Receptors HER3/HER2 by Single-Molecule Force Spectroscopy. Exp. Cell Res., 2009, 315, 2847-2855

12.       Q. Liu, C. Bo, Q. Wang, X. Shi, Z. Xiao, J. Lin, X. Fang. Carbon Nanotubes as Molecular Transporters for Walled Plant Cells. Nano Lett., 2009, 9, 1007-1010

13.       Z. Xiao, X. Ma, Y. Jiang, Z. Zhao, B. Lai, J. Liao, J. Yue, X. Fang. Single-molecule study of lateral mobility of epidermal growth factor receptor 2/HER2 on activation. J. Phys. Chem. B, 2008, 112, 4140-4145

 

授权专利：

1.        方晓红, 杨勇, 张伟, 梁伟, 抑制膜蛋白受体聚集的抗癌药物鉴定方法, 专利号： ZL 201010514699.5

2.        方晓红, 徐丽, 赵子龙，谭蔚泓, 富含鸟嘌呤的核酸适体及其应用，专利号： ZL 201110138613.8