中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 谢斯滔湖南大学 2020年博士导师: 谭蔚泓共114页

摘要 : 蛋白质作为生命活动的主要承担者之一，几乎参与了生命活动中大多数重要的信号过程；因此，解析蛋白质在其中起到的功能与作用不仅为人们理解生命活动的正常运行提供理论基础，还将推动与蛋白质学科密切相关的基础或应用研究领域的发展。在过去几十年... 展开蛋白质作为生命活动的主要承担者之一，几乎参与了生命活动中大多数重要的信号过程；因此，解析蛋白质在其中起到的功能与作用不仅为人们理解生命活动的正常运行提供理论基础，还将推动与蛋白质学科密切相关的基础或应用研究领域的发展。在过去几十年的研究中，基于小分子化合物或光遗传学发展的研究方法被相继报道用于调控蛋白质的功能或活性，进一步地通过研究与蛋白质密切相关的信号过程的变化来确定蛋白质在其中扮演的角色。然而，基于小分子化合物发展的研究方法具有的脱靶效应限制了其进一步应用；此外，基于光遗传学发展的研究方法大多涉及对蛋白质的改造，这将难以实现对天然状态下蛋白质的研究。因此，发展简单、通用的蛋白质功能或活性的调控研究方法将有助于推动蛋白质研究的发展。自20世纪90年代以来，核酸适体被首次报道及之后快速的发展使其成为生物、化学、药学、医学以及众多交叉研究领域中的明星分子。核酸适体以其对靶标的高选择性及特异性、免疫原性低、易于合成与修饰及良好的生物相容性等优点被誉为“化学抗体”。特别地，核酸适体可以以非共价的方式结合蛋白质并调控蛋白质的功能；结合纳米材料独特的物理化学性质及尺寸形状可控、易修饰等优点，核酸适体在蛋白质研究领域具有广阔的开发与应用前景。基于以上研究背景，围绕如何发展简单、通用的蛋白质功能或活性的调控研究方法，本论文构建与发展了一系列基于核酸适体的光响应纳米平台用于蛋白质活性或功能的调控研究。具体包括以下研究内容： (1)为了实现时空分辨且精准可逆地对蛋白质活性的可逆调控而不影响蛋白质的天然结构；在第二章中，我们通过对核酸适体探针的设计与优化开发了基于核酸适体的光响应纳米平台。通过选取凝血酶作为蛋白质研究模型，将不同个数的光响应基团偶氮苯分子(AZO)设计于凝血酶核酸适体TBA构建的探针中，并进一步通过金硫键将探针连接到纳米金颗粒(Au NPs)表面，通过实验优化得到可以在不同光照条件下调节TBA构像变化的TBA-AZO4-AuNPs。具体地，在紫外光照射下，AZO构型发生由反式到顺式转变，导致核酸适体/cDNA杂交发生解离释放出核酸适体，核酸适体可以特异性地识别并捕获靶标蛋白质到纳米颗粒表面，从而抑制蛋白质活性。另一方面，在可见光照射条件下，AZO构型发生由顺式到反式转变，因核酸适体与cDNA之间的亲和力比核酸适体与靶标蛋白之间的要强，因此cDNA会与核酸适体杂交从而释放出被核酸适体捕获的蛋白质。通过对凝血酶催化其底物纤维蛋白原的散射光变化和荧光变化监测分析证明，构建的TBA-AZO4-AuNPs实现了对凝血酶活性的可逆地光调控。在第三章中，我们进一步证明了光响应纳米平台TBA-AZO4-AuNPs具有在单分子水平调控靶标蛋白质(凝血酶)激活释放的能力；通过使用人血浆中凝血时间的分析进一步地证明了TBA-AZO4-AuNPs可以实现在复杂的生理体系中可逆地调控靶标蛋白质(凝血酶)的活性。此外，为了考察光响应纳米平台构建方法用于调控靶标蛋白质活性的通用性，实验进一步选择溶菌酶和溶菌酶核酸适体作为研究模型，通过对核酸适体探针的设计开发了基于溶菌酶核酸适体的光响应纳米平台LA-AZO5-AuNPs，并通过实验证明了构建的纳米平台可以实现在复杂的枯草杆菌系统中对靶标蛋白溶菌酶活性的时空分辨地调控，证明了实验方法构建的光响应纳米平台拓展用于更复杂生物体系中蛋白质无损调控的通用性。 (2)为了实现在细胞水平对天然状态下蛋白质功能及活性的调控；在第四章中，我们通过利用DNA的可设计编程的优点以及核酸适体对靶标蛋白质的特异性识别能力，设计、构建和表征了可在近红外光下响应激活的纳米平台PCH2-Apt-UCNPs。该平台有望实现对细胞内蛋白质的特异性识别和捕获，通过调控蛋白质Apt与蛋白的结合，有望实现将蛋白质无损地释放，从而恢复目标蛋白的功能和活性。在第五章中，我们进一步证明了构建近红外光响应纳米平台PCH2-Apt-UCNPs可用于调控细胞内RelA蛋白的功能和活性，并通过调控RelA蛋白质的活性进一步调控RelA蛋白质相关的基因变化；此外，PCH2-Apt-UCNPs可被重新设计用于调控溶菌酶蛋白质在复杂的枯草芽孢杆菌系统中的活性；进一步地将PCH2-Apt-UCNPs简化设计成功用于调控p53蛋白质突变体在细胞质和线粒体之间的转位行为，从而调控细胞的命运。因此，基于核酸适体的近红外光响应的功能纳米平台可用于细胞水平蛋白质功能和活性的无损调控。收起

关键词 : 蛋白质核酸适体纳米颗粒无损可逆光调控

2. 可逆光酸对基于吡啶酰胺类配体和海藻酸钠的超分子金属凝胶的调控作用

[学位论文] 王亚旭河北工业大学 2019年硕士导师: 杨春共102页

摘要 : 本文合成了四种亚稳态光酸PAH、4-MeOPAH、5-MeOPAH、TCFPAH，并进行了1HNMR、MS和UV-vis表征。在室温水溶液和TritonX-100胶束中，光酸PAH暗反应均为一级反应，反应速率常数分别为1.45×10-2和8.00×10-3s-1，质子解离态SP的半衰期由水溶液中的... 展开

关键词 : 超分子金属凝胶可逆光酸吡啶酰胺类配体海藻酸钠调控作用

3. 自组装多肽凝胶性质的可逆光调控

[学位论文] 夏天天东南大学 2022年硕士导师: 梁高林共67页

摘要 : 凝胶是具有三维纳米网络结构的一类软物质材料，而能够形成凝胶的这类分子被称为凝胶因子。凝胶因子能够在水或者其他溶剂中因吸附大量溶剂分子溶胀从而形成凝胶结构。常见的凝胶因子包括聚合物成凝胶因子和小分子凝胶因子。聚合物凝胶通过聚合物之间... 展开凝胶是具有三维纳米网络结构的一类软物质材料，而能够形成凝胶的这类分子被称为凝胶因子。凝胶因子能够在水或者其他溶剂中因吸附大量溶剂分子溶胀从而形成凝胶结构。常见的凝胶因子包括聚合物成凝胶因子和小分子凝胶因子。聚合物凝胶通过聚合物之间的共价交联而形成复杂的三维的空间网状结构。而小分子凝胶是在分子间作用力的引导下，通过小分子凝胶剂的自组装形成的纳米纤维或者纳米管结构，进而纳米结构相互交联，形成更高级的空间网状结构。而多肽作为最常见的生物小分子之一，其具有独特的亲疏水性、多样性以及生物相容性被广泛的用于作为小分子凝胶因子。近年来，对水凝胶研究已经从静态材料发展到智能材料。刺激响应性凝胶也被称为“智能凝胶”，指的是在外界环境产生变化的刺激下，凝胶的结构和性质能够对外部刺激（例如温度、超声、pH、光、酶等）的产生响应并发生的一系列理化性质的变化，从而实现特定的功能。在这里我们使用具有便捷、无接触、时空可控等优点的光来操控凝胶性质。光响应凝胶与溶液的互相转变赋予超分子自组装多肽凝胶强大的功能，例如通过光远程操控凝胶包裹物的释放。在此之前已有文献报道了通过光物理的手段来设计自组装多肽凝胶剂，但它们的凝胶与溶液的互相转变效率低下。此外，基于光化学方法的蒽与多肽结合形成自组装多肽凝胶来调控凝胶性质这一策略尚未被报道。因此在这项工作中，我们报导了一种蒽肽凝胶剂Nap-Phe-Phe-Lys(anthracene)-OH（Mo-Nap-An），在365nm激光照射下，在40%THF的共溶剂体系中它可以有效地转化为对应的二聚体Di-Nap-An，同时进行凝胶到溶液的转变（或从微观层面为纳米纤维到纳米颗粒的转化）。相反地，在254nm紫外光照射下，Di-Nap-An转化为Mo-Nap-An，溶液变为凝胶。总的来说这项工作提供了一个简单的“智能”光调控策略，实现了通过光化学方法有效地控制凝胶性能的目的。收起

关键词 : 自组装多肽凝胶共溶剂体系 Di-Nap-An 紫外光照射可逆光调控

4. 蓝细菌光敏色素的光化光性质与Slr0351功能的研究

[学位论文] 马琼华中农业大学 2012年博士导师: 赵开弘共116页

摘要 : 光敏色素是存在于植物和细菌中的感受光的功能色素蛋白，在植物的光形态发生和细菌的趋光性运动中发挥重要作用。蓝细菌光敏色素辅基蛋白通过N末端GAF结构域中的半胱氨酸与藻胆色素(PCB)共价结合形成完整的有生理活性的光敏色素，蓝细菌中存在的光敏色... 展开光敏色素是存在于植物和细菌中的感受光的功能色素蛋白，在植物的光形态发生和细菌的趋光性运动中发挥重要作用。蓝细菌光敏色素辅基蛋白通过N末端GAF结构域中的半胱氨酸与藻胆色素(PCB)共价结合形成完整的有生理活性的光敏色素，蓝细菌中存在的光敏色素称为蓝细菌光敏色素(CBCRs)。本研究主要内容包括： ⑴根据Nostoc sp.PCC7120的基因组信息，我们获得了50多个CBCRs的GAF结构域。利用蛋白质聚类工具分析这些GAF结构域，发现一个DXCF光受体分支，该分支包含All1688、All2239、All1280 GAF2、All3691 GAF2、Alr1966 GAF2、Alr2279、Alr3356、Alr3120 GAF1、Alr3120 GAF2和Alr5272 GAF1。利用分子生物学技术，将这些DXCF光受体分别与PCB在E.coli BL21中共表达，得到了8个能与色素共价结合的DXCF CBCRs，其中，仅Alr3120 GAF1没有可逆光效应，其余7个DXCF CBCRsAll1688、All1280 GAF2、All2239、All3691 GAF2、Alr1966 GAF2、Alr2279和Alr3356均表现出不同的可逆光效应。这7个CBCRs的15Z态在410～430 nm有吸收峰，而15E态在490～600 nm的长波范围有吸收峰，由于其15Z态在蓝光区有吸收峰而称之为蓝光光受体。根据CBCRs结合色素的类型，将8个DXCF CBCRs分为3种类型:(1)结合PCB/TPcR的DXCFCBCRs，包括All1688、All2239、Alr3356和Alr3120 GAF1;(2)结合PVB/TPvR的DXCF CBCRs，All3691 GAF2属于这种类型;(3)结合PCB/TPcR与PVB/TPvR混合色素的DXCF CBCRs，包括All1280 GAF2、All3691 GAF2和Alr1966GAF2。通过定点诱变技术，研究了结合藻胆色素的保守性半胱氨酸Cc和Cx的功能。将DXCF CBCRs中的Cc突变后， All2239(C82L)、 All3691 GAF2(C87I)和Alr2279(C100I)在可见光区没有吸收峰，未能结合色素，而All1280 GAF2(C81 A)和Alr1966 GAF2(C84A)在可见光区仅有微弱的吸收峰，与野生型相比大大降低，由此表明Cc在DXCFCBCRs的色素稳定结合中起重要作用。在DXCFCBCRs中，还存在另一个结合色素的保守性半胱氨酸Cx，Cx位于CBCRs的DXCF基序中，该Cys与藻胆色素形成第二个结合色素的硫醚键，第二个硫醚键的形成中断了藻胆色素的共轭体系，从而形成了类胆红素TPcR或TPvR，TPcR或TPvR赋予DXCF CBCRs在蓝光区的吸收峰。定点突变DXCF CBCRs的Cx后，所有Cx突变体在420 nm附近的吸收峰消失，在560～650 nm范围内的吸收峰升高，蓝光区吸收峰的消失表明TPcR或TPvR的形成受到抑制，从而确证了Cx与色素的C-10共价结合。 ⑵扫描DXCF CBCRs的荧光光谱，6个具有可逆光吸收效应DXCF CBCRs均在630～660 nm范围内有红色荧光发射峰，其荧光发射光谱在15Z/15E态之间也表现不同程度的可逆效应，其中，All1280 GAF2具有红色荧光/无荧光变化，其可逆荧光效应尤为明显。大多数DXCF CBCRs的Cx突变体在640～660 nm有荧光发射峰，其荧光发射峰与野生型相比有不同程度的红移，且Cx突变体的荧光活性均高于野生型DXCF CBCRs。由于All1280 GAF2(C53A)和Alr1966 GAF2(C56A)具有较高的荧光活性和摩尔消光系数，在荧光显微镜下检测到了两种色素细胞持续的红色荧光。然而，All1280 GAF2的荧光发射光谱虽然显示有明显的红色荧光/无荧光变化，但是在荧光显微镜下我们仅检测到了All1280 GAF2细胞微弱的可逆红色荧光。利用定点突变技术对All1280 GAF2进行分子改造，得到的突变体均没有较强的荧光活性。 ⑶在对蓝细菌光敏色素All4261的光化学性质的研究工作中，发现All4261全蛋白的表达量不高，且不溶于水。为了便于对All4261的光谱性质进行研究，我们研究了All4261中4个GAF结构域的光化学性质，结果表明仅All4261 GAF2能与PCB共价结合。All4261GAF2的吸收峰为590nm荧光发射峰为645 nm，其Cys突变体All4261GAF2(C81L)、All4261 GAF2(C113A)均具有较高的吸收和荧光活性，而突变体All4261GAF2(C124L)在可见光范围没有特征性吸收荧光峰，因此Cys124为All4261GAF2结合PCB色素的位点。 ⑷研究了Synechocystis sp.PCC6803中Slr0351的功能。利用同源重组技术构建了△slr0351突变藻。比较△slr0351突变藻与野生型(WT)在不同培养条件下的生长速率差异，我们发现△slr0351突变藻对缺S和缺N胁迫条件十分敏感，由此推测slr0351可能参与S元素和N元素的生物化学代谢调控过程。同时我们还发现slr0351的缺失对藻细胞在弱光照条件下的光能捕获效率有较大影响，而不影响强光条件下藻细胞的光能捕获效率。切除Slr0351N末端的跨膜结构，在E.coliBL21中成功表达了Slr0351截短蛋白，以便于对Slr0351的性质及功能进一步开展研究。收起

关键词 : 蓝光细菌光敏色素可逆光效应生物化学

5. 离子液体双水相液-液相平衡的可逆光调控及其在Aza-Michael加成反应中的应用

[学位论文] 冯莹河南师范大学 2020年硕士导师: 王键吉共99页

摘要 : 环境响应离子液体是指可通过外部刺激调控离子液体的结构和性质的“智能型”离子液体，环境响应双水相体系是一类可通过外部刺激实现对双水相体系调控的两相体系。常用的刺激手段包括改变体系的温度、pH值、施加光照、电场、磁场等。其中光刺激具有操... 展开环境响应离子液体是指可通过外部刺激调控离子液体的结构和性质的“智能型”离子液体，环境响应双水相体系是一类可通过外部刺激实现对双水相体系调控的两相体系。常用的刺激手段包括改变体系的温度、pH值、施加光照、电场、磁场等。其中光刺激具有操作简便、条件温和、不引入其他物质等优点，得到了人们的广泛关注。离子液体参与构筑的双水相体系具有阴阳离子的结构可调、平衡时间短、不易乳化等独特性能，在萃取分离、生物材料的富集等领域具有良好的应用前景。但目前关于环境响应离子液体双水相的研究多为温度和pH响应的体系，关于光响应离子液体双水相体系的研究还未见报道。基于此，本文设计、合成了13种肉桂酸类和5种偶氮苯类光响应离子液体，在对其热性质和水溶液中光异构性能研究的基础上，首次将偶氮苯类离子液体与无机盐一起形成了一系列光响应离子液体双水相体系。实现了紫外/可见光照对双水相体系液-液相行为的可逆调控，较系统地考察了这些离子液体双水相的成相规律及紫外/可见光对其液-液相行为的可逆调控机理。基于这类双水相独特的光响应相行为，以双水相作为反应介质，首次在常温常压条件下，实现了高产率、高选择性的Aza-Michael加成反应，以及“均相反应、异相分离、双水相组分循环利用”的有效集成。主要研究内容如下： (1)设计、合成了13种肉桂酸类离子液体[Cinn-Cn-MIM][Br](n=4,6,8),[Cinn-Cn-DMEA][Br](n=4,6,8),[Cinn-Cn-TMA][Br](n=4,6,8),[Cinn-C8-DMEA][Tf2N],[Cinn-C8-DMEA][N(CN)2],[Cinn-C8-DMEA][CF3SO3],[Cinn-C8-DMEA][BF4]和5种偶氮苯类离子液体[C2AzoC4MIM][Br],[C4AzoC2TMA][Br],[C4AzoC2MIM][Br],[C4AzoC2DMEA][Br],[C4AzoC4MIM][Br]。使用低温差示扫描量热和综合热分析技术测定了离子液体的熔点和热分解温度，分析了离子液体的结构对熔点的影响。利用紫外-可见吸收光谱法测定了离子液体在水溶液中的光异构化性能，考察了离子液体阳离子的烷基链长、阳离子的头基结构、阴离子的类型等主要因素对离子液体在水溶液中的光异构化效率的影响。 (2)利用所合成的偶氮苯类离子液体与无机盐(K2CO3、K3PO4、K2HPO4、KOH)形成了一系列光响应离子液体双水相体系，测定了离子液体双水相体系的双结线，考察了离子液体阳离子的结构、无机盐的种类、紫外光照等因素对双水相液-液相平衡的影响。在此基础上，使用动态光散射、小角X射线散射、低温冷冻透射电镜技术等较系统地研究了双水相形成过程的机理及双水相液-液相平衡可逆调控的机理。结果表明，离子液体的成相能力与其自身的亲疏水性密切相关，疏水性越强，成相能力越强。体系中无机盐含量的增加和紫外光照分别引起体系中离子液体胶束尺寸的增大和减小，是导致双水相形成和紫外-可见光调控双水相相行为的主要原因。 (3)在系统研究离子液体用量、反应时间、反应温度、底物摩尔比等因素对Aza-Michael加成反应产物产率影响的基础上，确定了最佳的反应条件。利用紫外光照使双水相变为完全互溶，进一步可见光照又引起相分离的特性，首次以离子液体双水相为反应介质，在常温常压条件下，高选择性地得到了Aza-Michael双加成产物，产率可达到99%。同时，利用紫外-可见光对双水相液-液相平衡的可逆调控，实现了双水相中的均相反应、异相分离以及双水相组分的循环利用。双水相体系在循环使用5次后产率仍保持在95%以上。这些研究拓展了双水相体系的应用范围，同时为化学反应提供了新的绿色介质。收起

关键词 : 离子液体双水相液-液相平衡可逆光调控 Aza-Michael加成反应光异构化性能

6. 蓝细菌光敏色素结构域体内重组及光学性质研究

[学位论文] 刘冰冰华中农业大学 2013年硕士导师: 赵开弘共79页

摘要 : 植物光敏色素是一种光受体，含有线性四吡咯生色团的水溶性蛋白质，具有可逆光转换效应。近年来研究发现光敏色素也存在于细菌和真菌中。蓝细菌光敏色素是一类共价结合藻胆色素发色团的光谱多变的光受体家族，它们的光谱变化几乎覆盖了近紫外/可见光区... 展开植物光敏色素是一种光受体，含有线性四吡咯生色团的水溶性蛋白质，具有可逆光转换效应。近年来研究发现光敏色素也存在于细菌和真菌中。蓝细菌光敏色素是一类共价结合藻胆色素发色团的光谱多变的光受体家族，它们的光谱变化几乎覆盖了近紫外/可见光区，与植物光敏色素有较远的亲缘关系，且只存在于蓝细菌内。蓝细菌光敏色素还可能涉及到昼夜节律和细胞聚集的光感应重新组合。研究表明，单独的GAF结构域与生成藻胆色素的基因在大肠杆菌中共表达，可获得与蓝细菌光敏色素全蛋白的光化学性质相似的色素蛋白。 Thermosynechococcus elongatus BP-1中含有蓝细菌光敏色素数量比较少，且它们是热稳定的，通过蛋白质序列同源性比对分析，在它里面找到了与已知的Pb/Pg型蓝细菌光敏色素TePixJ和TeTlr0924同源的4个基因tll0899、tlr0911、tlr1215和tlr1999。通过分子克隆技术把它们的GAF结构域分别构建在pET30a(+)表达载体上，与质粒pACYCDuet-ho1-pcyA在大肠杆菌体内重组生成重组蛋白。实验结果表明，Tll0899-GAF具有光化学活性可共价结合藻蓝胆素(PCB)，Tlr0911-GAF存在蓝光吸收态Pb406nm和绿光吸收态Pg527nm之间的可逆光转换，Tlr1999-GAF则存在蓝光吸收态Pb417nm和青光吸收态Pt496nm之间的可逆光转换，它们均共价结合两种藻胆色素，即藻紫胆素(PVB)和藻蓝胆素(PCB)，Tlr0911-GAF和Tlr1999-GAF均在蓝光区和绿光区有吸收可称之为蓝/绿光受体。该实验表明Tlr0911和Tlr1999的GAF结构域可能具有3个活性功能，即为自催化裂合酶活性，自催化异构酶活性，光致异构化活性。而Tlr1215-GAF1和Tlr1215-GAF2不能自发结合藻胆色素，不具有光化学活性。在对Synechococcus sp.CC9311中仅有的两个推测的蓝细菌光敏色素Sync_0012和Sync_1604研究中，将它们的GAF结构域分别构建在pET30a(+)表达载体上，单独诱导表达或与质粒pACYCDuet-ho1-pcyA在大肠杆菌体内重组后表达，得到水溶性较低的蛋白质，通过加入尿素促溶，经过实验验证，Sync_0012-GAF和Sync_1604-GAF不能与藻胆色素共价结合，但是它们可能与核黄素等大肠杆菌体内的色素结合，这还需要进一步的研究。根据Nostoc sp.PCC7120中所有的GAF结构域氨基酸序列信息进行蛋白质聚类分析，利用生物软件Clustal X1.83和MEGA version5.0做出Nostoc sp.PCC7120中 GAF结构域进化树示意图，发现一个含有保守性的DXCF基序的光受体分支，以及其它一些同源性较高的光受体分支。利用分子生物学技术构建GAF结构域的表达质粒，分别将各种表达质粒与催化藻蓝色素生物合成的质粒pACYCDuet-ho1-pcyA同时转入大肠杆菌BL21体内重组，诱导表达生成重组蛋白。发现2个具有可逆光转换效应的含DXCF基序的蓝细菌光敏色素All1688和Alr1966，All1688-GAF主要结合PCB，其可逆光转换效应比较微弱，它的Pg态和Pb态的吸收光谱具有重叠现象;Alr1966-GAF2共价结合PVB和PCB，有3种光状态:Pg态、中间态和Pb态，它具有顺序光可逆循环。另一个由All4978-GAF、All7016-GAF和Alr7522-GAF组成的光受体分支，其中Alr7522-GAF不具有光化学活性，而其余2个具有性质相似的光化学活性，但是不具备可逆光转换效应，根据其吸收光谱推测它们结合的色素可能为血红素。通过蛋白质序列同源性和相似性比对分析，发现Synechocystis sp.PCC6803中sll1888、sll1228、sll1124基因编码的蛋白质分别与Slr1393、Sll0041、UirS(基因为slr1212)具有同源性。利用分子生物学技术构建这3个基因GAF结构域的表达质粒，分别将表达质粒与质粒pACYCDuet-ho1-pcyA同时转入大肠杆菌BL21中共表达生成重组蛋白，实验结果显示，它们并不能结合藻胆色素，不具有光化学活性。收起

关键词 : 蓝细菌光敏色素体内重组 GAF结构域可逆光转换光受体亲缘关系

7. 可逆光开关荧光蛋白的开发及其在超高分辨率显微成像中的应用

[学位论文] 张茜华中师范大学 2016年博士导师: 彭建新；徐平勇共94页

摘要 : 近年来超高分辨率显微成像技术成为生物领域研究中不可或缺的工具，极大地促进了生命科学的发展。同时，人们对优良探针的渴望日益迫切。可逆光开关荧光蛋白(reversibly switchablefluorescent proteins，RSFPs)是一类在特定光照下能够进行亮-暗状态可... 展开近年来超高分辨率显微成像技术成为生物领域研究中不可或缺的工具，极大地促进了生命科学的发展。同时，人们对优良探针的渴望日益迫切。可逆光开关荧光蛋白(reversibly switchablefluorescent proteins，RSFPs)是一类在特定光照下能够进行亮-暗状态可逆转变的荧光分子探针，它们在活细胞超高分辨率成像技术中发挥着重要的作用。然而，现如今可逆光开关荧光蛋白的品种单一，性能需要优化。因此，我们选择性质较好、使用广泛的光转化荧光蛋白mEos3.1为模板，在其His62位进行饱和定点突变，获得了一系列具有高亮度，高稳定性和高信噪比等不同优良性质的新型荧光蛋白，它们和Dronpa一样能够被488 nm光照射转化为暗态，405 nm光激发至亮态且反复多次循环。我们把这类新型的绿色单体光开关荧光蛋白命名为Skylan(skylantern)家族。在超高分辨率光学波动成像（super-resolution optical fluctuation imaging，SOFI）中，新型荧光蛋白Skylan-S展示了很高的光稳定性，对比度和波动状态的平均荧光值，比现有适用于SOFI成像探针Dronpa的图片像素荧光波动范围提高了四倍，从而获得了更高的SOFI分辨率。基于这些特性，我们使用Skylan-S标记网格蛋白应用于SOFI成像获得了高于100 nm的空间分辨率，成功解析出成熟的网格蛋白包被小泡(CCPs)环状结构，而且在1.5 s的超高时间分辨率下长时程拍摄持续60 s连续重构出40张CCPs的动态SOFI图像。这些结果说明Skylan-S适合用于长时程、超高时间-空间分辨率的SOFI成像技术。活细胞条纹模式光激活非线性结构光照明显微技术(PA NL-SIM)中，新型荧光蛋白Skylan-NS具有很高的对比度，在“亮”状态拥有较高的亮度和光稳定性，能够在100 w/cm2极低的光照强度下进行活细胞超高分辨率成像，获得了高达60 nm的分辨率，且在亚秒级时间内大视野持续采集十多个时间点。同时，Skylan-NS与Dronpa和rsEGFP2相比，标记细胞骨架蛋白能够得到更精细，信噪比更高的结构图像。这些优良特性使得Skylan-NS适合应用于多种活细胞超高分辨率成像系统，从而获得更高的分辨率。超高分辨率成像技术的发展和应用使得我们能够对生物分子进行精确定位。在成功发展了一些优秀的荧光探针用于超高分辨率成像之后，我们开始用来解决生物学问题。已知的凋亡体是在细胞凋亡早期用来激活胱天蛋白酶caspase起始物的多蛋白复合体。哺乳动物细胞中凋亡体的装配包括细胞凋亡蛋白酶激活因子Apaf-1与细胞色素c及ATP/dATP结合后激活胱天蛋白酶caspase-9，但是昆虫的凋亡体装配途径至今仍不清楚。因此我们使用Skylan家族以及多种荧光蛋白探针分别标记鳞翅目昆虫凋亡体的各组分蛋白，为简化实验体系，在哺乳动物细胞表达并进行多色3D-SIM成像，展示了在细胞凋亡初期，鳞翅目细胞色素c从线粒体中释放出来与细胞质中的Apaf-1结合进而形成凋亡体过程中的多蛋白定位及结构变化。我们首次应用3D-SIM结构光照明显微成像技术在细胞中观察到鳞翅目凋亡体的圆形轮状3D结构;更为重要的是，它以较高的分辨率展示了鳞翅目凋亡体的装配过程，这是之前普通荧光显微镜和电镜不能提供的，由此体现了Skylan探针在解决生物学问题中的良好应用。收起

关键词 : 显微成像可逆光开关荧光蛋白细胞凋亡实验体系

8. 双苯并噻唑螺吡喃、螺噁嗪光致变色化合物的合成与性能研究

[学位论文] 何应湖北大学 2009年硕士导师: 叶楚平;李陵岚共66页

摘要 : 光致变色是一个化学物种的两种形态之间的可逆光转换过程，两个异构体具有不同吸收光谱、折光率、介电常数等性质。光致变色聚合物是一种新型有机功能材料，比小分子光致变色化合物在器件制造上更具优势，可广泛应用于光存储、光开关和光转换器件等领... 展开

关键词 : 光致变色聚合物结构表征可逆光转换介电常数有机功能材料

9. 可调控网络学习的低剂量CT图像处理方法研究

[学位论文] 夏振宇安徽工程大学 2023年硕士导师: 刘进共81页

摘要 : 医用计算机断层扫描(ComputedTomography,CT)是利用X射线的穿透力对人不同身体组织进行断层成像，但患者CT扫描过程的X射线辐射累积会带来患癌概率增加的潜在健康风险。而直接降低剂量的低剂量CT(LowDoseCT,LDCT)扫描模式通常会给重建图像带来大量噪声... 展开医用计算机断层扫描(ComputedTomography,CT)是利用X射线的穿透力对人不同身体组织进行断层成像，但患者CT扫描过程的X射线辐射累积会带来患癌概率增加的潜在健康风险。而直接降低剂量的低剂量CT(LowDoseCT,LDCT)扫描模式通常会给重建图像带来大量噪声和伪影，降低信噪比，影响诊断精度。因此科研人员与工程设计人员常通过多种途径改善LDCT扫描图像质量，以提高升诊断精度。在LDCT成像算法方面，主流的方法可分为三类:1)重建前的投影域滤波;2)迭代重建;3)重建后的图像处理。伴随大数据集和大样本库的建立，深度学习技术在LDCT重建后图像处理中得到了全面应用，具有算法易实施，不依赖于原始数据，可扩展性好等优势，是近年来研究的主要方向。针对不同部位LDCT图像退化类型及强度复杂，处理难度大这一核心问题，本文借助于深度神经网络，设计系列专用于LDCT图像处理的可调控学习网络模型，实现处理后图像质量上的统一，提高LDCT成像效果。主要工作及研究创新如下: (1)常规的残差网络在图像复原及处理中具有较大优势，但其恒等映射形式单一,难以适用于复杂退化过程的LDCT图像。本方法在常规残差网络架构基础上，设计了一种用于LDCT图像处理的可调控的条件残差网络。采用在常规的残差连接上添加调控权重的方式，设计一种可调控的残差模块，以适应不同强度和形式的特征映射。通过输入层、输出层及可调控的残差模块的组合，建立用于LDCT图像处理的动态可调控的残差网络，以估计获得高质量CT图像。该网络包括两个子网络，用于图像数据映射的基础网络和用于调控权重生成的条件网络。通过两个子网络的协作训练，构建了端到端的LDCT图像处理模型。实验表明，该网络模型初步实现对LDCT图像中不同水平的伪影和噪声的抑制，在去除伪影和噪声同时，尽可能的保留原图像组织细节。 (2)为了获得更加精细的图像纹理，及完整的组织结构信息，提出一种基于可调控U型网络(U-shapedNetwork,UNet)的LDCT图像处理方法。该网络同样包括基础网络及条件网络两部分。基础网络是在常规UNet基础上，借助可调控的残差，对其编码器和解码器进行改进获得的。可实现可调控残差式的多尺度特征学习，建立小尺度的深层特征、大尺度的浅层特征的提取与表示,形成了针对LDCT图像处理的可调控映射。条件网络设计中，通过结合噪声和伪影的特点，将使用多层全连接网络，以更准确估计特征控制权值，并修正UNet中不同尺度特征图的使用量，实现特征的可调控功能，以获得更优的去噪去伪影性能，最大化保留纹理组织等细节，同时提高算法运行效率。实验表明，改进型的可调控UNet在LDCT图像处理方面具有较好的性能，在图像组织结构细节的保持上得到了增强。 (3)为进一步实现对处理后LDCT图像中的细节及纹理的保持，使其更加接近NDCT图像，借助于生成对抗学习的思想，在生成对抗网络框架中引入基于可调控网络,提出了一种深度可调控对抗学习网络。该网络包括两个主要部分，生成器和判别器。在生成器网络中，使用由基础子网络和条件子网络组成的组合网络来提高基于GAN的LDCT图像质量。以改进型Vgg-128为判别器，可提高生成器的泛化能力，并且可以很好地抑制LDCT图像各部分中的噪声伪影。此外，为了提高处理效果并尽可能保留图像细节，所构建的去处理络在多种损失下进行训练，包括如:对抗损失、平均结构相似性(MeanStructuralSimilarityIndexMeasure,MSSIM)损失和梯度惩罚等。实验表明，可调控学习的对抗学习框架可获得高质量的LDCT图像处理图，其性能优于可调控残差网络及可调控UNet。实验同时验证了可调控学习及混合损失策略的有效性。最后，对本文使用的三种不同可调控网络进行了总结，并给出现阶段LDCT图像处理算法仍需面临的挑战，同时针对这些问题讨论了LDCT图像处理的未来研究趋势。收起

关键词 : 图像处理 LDCT图像可调控学习动态可调控残差 U型网络生成对抗网络

10. 基于晶格Boltzmann方法研究微颗粒可调控的惯性聚集

[学位论文] 宣呈亮广西师范大学 2023年硕士导师: 闻炳海共68页

摘要 : 晶格Boltzmann方法作为一种可靠的计算流体力学方法，目前已发展成为一种有前途的模拟复杂流体流动的数值方法。与其他传统的数值方法相比，该方法结合了宏观模型和分子动力学模型的优点，具有算法简单、易于处理复杂边界和易于并行计算等优势，且已被... 展开晶格Boltzmann方法作为一种可靠的计算流体力学方法，目前已发展成为一种有前途的模拟复杂流体流动的数值方法。与其他传统的数值方法相比，该方法结合了宏观模型和分子动力学模型的优点，具有算法简单、易于处理复杂边界和易于并行计算等优势，且已被广泛应用于微流控领域。惯性微流控是基于流体力学中颗粒跨流层惯性迁移原理，实现对微通道中颗粒聚集和分选的技术；它不依赖流体成分、通道材质和颗粒的电磁性质，具有结构简单、高吞吐量和高可靠性等优势。然而，作为被动技术的惯性微流控一直无法实时调控微颗粒在微通道内的聚集位置。为了控制颗粒汇聚而反复采用复杂的曲线型通道，不但增加了制造成本和难度，也阻碍了利用多通道并行结构来提高芯片处理能力。因此，本文基于晶格Boltzmann方法提出了一种在惯性微流控通道中主动控制颗粒垂直位置的方案，并将其应用到不同形状颗粒和生物微颗粒的控制中。主要工作内容如下： 1、本文通过边界滑移条件实现了对流场速度的调控。推导了Poiseuille流在单边滑移边界下滑移长度与反弹比例系数的关系式，并在模拟验证中发现，滑移边界条件在不同的反弹比例系数下，可以得到不同的流场速度分布，流场速度的最大点随着滑移长度的增大而逐渐向滑移边界移动。不同反弹比例系数下模拟得到的滑移长度与推导的解析解结果一致，同时又发现具有单边滑移边界的微通道的流场等效于加宽相对应滑移长度的微通道的流场，两个微通道中的颗粒平衡位置是一致的。 2、对圆形、椭圆形和矩形这三种典型形状颗粒在单边滑移Poiseuille流中的运动特性进行了数值仿真研究。与圆形颗粒的平滑轨迹不同，椭圆形和矩形颗粒的运动由于其非圆形几何形状会伴随着有规律的上下振荡和不均匀的旋转。随着滑移长度的增加，流场的速度分布都将发生变化，三种颗粒都逐渐向上迁移，并达到平衡位置，结果表明了单边滑移边界可以有效地操纵颗粒的垂直平衡位置。同时滑移边界不仅仅改变了颗粒的平衡位置，还加快了颗粒的旋转速度，使颗粒的旋转周期缩短。本文采用一系列的轮廓图描绘出在单个旋转周期内不同姿态下的椭圆形和矩形颗粒，以捕捉颗粒的姿态变化以及颗粒振荡的细节。非圆形颗粒的波动幅度随着滑移长度的增加而增大，波动轨迹也会随之发生改变。 3、通过连续实时调节边界滑移实现了对颗粒垂直位置的实时主动控制。在不同时间段内不断增大上边界的滑移长度，颗粒的垂直位置也随之向上边界移动，并在极短的1微秒时间内迁移到新的平衡位置，矩形颗粒振荡幅度最大，并且最接近上边界。同时对不同尺寸的圆形、椭圆形和矩形颗粒在不同的滑移长度下进行了数值模拟，发现颗粒的归一化位置稳定在小范围区间内。 4、对亚微米级病毒颗粒在Poiseuille流中的运动特性进行了数值仿真和研究。对新冠病毒、狂犬病毒和非洲猪瘟这三种亚微米级的病毒颗粒进行了二维建模，利用晶格Boltzmann方法模拟了这三种不同形状颗粒在管道Poiseuille流中的迁移和运动，由于它们形状的非圆性，迁移运动中总是包含着规则的振荡和不均匀的旋转。分析了阻塞比和流场雷诺数对新冠病毒颗粒和狂犬病毒颗粒惯性聚集的影响，病毒颗粒的平衡位置均与阻塞比和雷诺数成正比，当阻塞比不断增大时，病毒颗粒达到平衡的时间会不断减小。在一定范围的小雷诺数内，病毒颗粒的平衡位置对泊肃叶流的雷诺数不敏感，雷诺数增大到一定程度时，泊肃叶流的各流层速度差异变大，导致颗粒的旋转周期时长变短。这些研究成果有利于深入了解滑移边界的原理及使用，同时本文提出的实时主动调控颗粒平衡位置的方案为惯性微流控提供了一种高效的颗粒惯性聚集方法，同时也对生物医学实验中细胞和病毒颗粒的排序、计数和分选等操控提供了技术基础。收起

关键词 : 惯性聚集晶格Boltzmann方法微颗粒可调控