仿生学的科学意义与前沿——分子仿生——仿生膜体系的电化学研究，本文主要内容关键词为：仿生学论文,电化学论文,分子论文,意义论文,体系论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分子仿生研究的就是模拟在微观的分子层面上的生物分子的功能。生物体的信号传递过程和功能性相互作用的机理越来越清楚，计算机中心处理器速度更快，功能更强大的分子模拟及分子设计软件的发展，使在分子水平设计并合成物质模拟生物大分子的功能成为可能。
生物膜的研究涉及多种学科交叉，是最近二十年来分子生物学和细胞生物学快速发展的前沿领域之一。生物膜特有的脂双层结构是属于生命的一种基本结构，它维持细胞内各部位的结构有序性，它具有物质输送、能量转换、代谢调控、信息传递以及分子或细胞识别功能，可以认为，生物膜是生命活动中许多重要反应发生的场所。生物膜特有的双层脂膜结构与生命中物质流、能量流和信息流三大物质体系的运输、转换和传递密切相关。
由于质膜及各种内膜种类繁多，且制备涉及复杂的纯化过程，而用人工制备的脂双分子层可以当作生物膜的模型，从而模拟生物膜的某些基本特性，因此模拟生物膜的研究越来越受到人们的重视。生物膜的模型从层数上来分可分为单层膜、双层膜和多层膜。单层膜主要是指Langmuir-Blodgett(L-B)膜，脂双层膜又包括平板双层膜(planar bilayer)和脂质体(liposome)，平板双层膜又可分为非支撑平板双层膜（又称黑膜，BLM）和支撑平板双层膜(s-BLM)，多层膜主要指磷脂浇铸膜(cast lipid film)。L-B膜是最简单的模型系统。
平板双层磷脂膜上的电化学研究，特别是循环伏安研究，源于Tien等人在20世纪80年代初所做的一系列开创性工作，并由此逐步建立起来。未经修饰的BLM是良好的绝缘体，内阻＞
，因此产生的电流很小。人们从生物膜内嵌入蛋白质的结构得到启发，用一定的修饰物来使BLM具有一定的功能，同时也可增大电流响应。这些修饰物包括多肽、蛋白质、染料、碘、“有机金属”和半导体粒子等。
离子传输也是人们非常关心的一个问题，很早就开始研究。离子传输包括离子载体推动的离子传输和非离子载体推动的离子传输。离子载体包括天然存在的大环抗菌素和一些合成的载体。非离子载体推动的离子传输只有几种特殊的亲脂离子，如四苯基硼离子和二苦味胺离子及一些染料。我们研究了BLM对亲脂离子TPB-的传输过程，并考察了pH值和胆固醇对这一过程的影响。当然，用循环伏安法研究BLM对离子传输作用的工作进行得很少，还很不成熟，关于离子传输的机理仍有许多工作要做。
支撑膜上的电化学实际上是在电极上修饰磷脂的单层或双层膜，其最主要的优点是它比分隔两水相的BLM稳定得多，有实用价值，另外它也很适合于现场的谱学研究。
硫醇／磷脂在金电极上自组形成的支撑膜体系，由于硫醇的阻断，使电活性物质无法与电极之间进行电子传递，因此没有循环伏安响应，不能进行电流检测，这既是缺点也是优点，人们恰恰可以利用硫醇／磷脂双层的高阻抗低电容进行电位及电容的研究。
电化学生物传感器的研究和开发从20世纪80年代起得到了快速地发展，在生物模拟方面，主要采用了脂双层模型。其中BLM体系最具生物膜相似性，即类似天然膜的流动性和与配体－接受体的可相互作用性等。生物膜的功能往往要以特殊的修饰物为媒体或功能基团来发挥。从特异性、选择性和可行性等方面来看，对于镶嵌有关主体物质用于生物传感器的开发研究，固体支撑的BLM稳定性比平板BLM有很大提高。以各种物质修饰的BLM固定于金属电极表面，可用于测定各种底物、抗原、离子、电子供体或受体等。基于模拟生物膜体系的生物传感器，没有生物活细胞的复杂性而且可提供具有高灵敏度、高选择性和快速响应的分析信号。生物传感器在快速测定方面也有一定的优异性能。通过固定活性蛋白可以缩短酶电极的响应时间，响应时间最快达10秒左右，这为进行活体内生化分析时捕捉瞬间生化反应信号提供了极大的可能性。
我们实验室在仿生膜的电化学研究作了有益的探索：我们发展并成功制备多种模拟生物膜包括非支撑平板双层磷脂膜以及基于不同基底的多种模拟生物膜；建立了表征模拟生物膜的多种谱学及电化学现场观测方法，发展了从分子水平上跟踪观测膜的动态变化的现场扫描探针显微技术；较系统地研究了模拟生物膜的功能与特性，对蛋白质和酶在模拟生物膜上的行为以及在自组装单层和多层膜方面进行了较深入的研究，开拓了在玻碳基底上用重氮盐还原和阳离子自由基制备前体膜及自组装单层和多层膜的新方法，提出了测定自组装膜的表面覆盖度、表面酸解离常数等的有效方法，用自组装、溶胶－凝胶法成功地制备了生物传感器。
总之，通过在分子水平进行结构设计、改造和构建，可以制造出具体的物质满足人类需要的功能。人类一直在进行这种努力，只是使用的工具在进步。工具和方法的进步才使在分子水平仿生变得具有现实性，也更有意义。