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[硕士论文] 陈晓乾
凝聚态物理 山东建筑大学 2017(学位年度)
摘要:蝙蝠作为唯一具有真正飞行能力的哺乳动物,它的翼是由前肢在进化过程中演变而来的,翼膜将前肢、身体和尾巴连接成一个整体。蝙蝠的飞行过程离不开翼膜,翼膜能够为蝙蝠的飞行提供升力。马铁菊头蝠属于小蝙蝠亚目中的菊头蝠科,在低速飞行过程中具有很强的机动性。本文通过对马铁菊头蝠模型翼膜所受升力的实验测量,对数据进行拟合,得到翼膜的升力系数,探究马铁菊头蝠翼膜的空气动力学特性。
  研究工作主要包括以下三个方面:
  (1)获取蝙蝠样本三维数字结构
  首先捕捉蝙蝠样本,对其形态学结构进行测量和拍照。然后将蝙蝠罹体样本进行一系列地处理,处理过程包括固定蝙蝠的形状、重塑蝙蝠体型、喷显像剂和贴标记点。然后使用三维光学扫描系统对蝙蝠样本进行表面扫描,通过计算机的自行处理得到原始表面结构的三维数字模型,利用图形处理软件处理原始三维数字模型,得到完整结构和无翼膜结构的模型,通过三维打印技术得到蝙蝠的实物模型。
  (2)蝙蝠模型的风洞实验
  对实物模型进行风洞实验,实验仰角范围为0°~20°,每次以1°的变化量增加,风洞的风速控制在0m/s~6/s的范围内,风速变化值为0.5m/s。记录风洞实验的数据,
  (3)数据的处理及分析
  根据空气动力学的相关理论,得到实验中蝙蝠翼膜受到升力,从而得到升力系数。由于实验测量的数据量较大,无法直接从数据中得出蝙蝠翼型的气动特性,因此需要整理数据并进行数据拟合,将升力与升力系数、风速之间以图表的形式表示出来。然后分别分析升力与风速、迎角的关系,升力系数与迎角的关系,分析得出数据中存在的一般规律,根据现有物理理探讨论蝙蝠具有的气动特性与进行。
  通过分析数据,得到的结论有:
  (1)在平稳非拍翼状态下,马铁菊头蝠翼膜所受升力随迎角和风速的变化而变化。在相同迎角情况下,升力随风速的增加而增加,变化趋势由缓慢逐渐增加变为线性增加。在相同风速条件下,实验中的飞行最佳迎角为12°,此时升力为最大,超过该迎角之后的升力缓慢下降。
  (2)升力系数随迎角的变化同样发生改变,升力系数在小角度时与迎角的关系近似线性关系,同样在迎角为12°时,升力系数值最大,之后随着迎角的增加,升力系数缓慢降低。在相同迎角的条件下,1m/s时的升力系数最大,而其它风速时的的升力系数主要集中在1~1.9之间。
  (3)马铁菊头蝠是一种主要以丛林中的昆虫为食的蝙蝠,在低速飞行时,他能够灵敏的躲避障碍物完成捕食过程,该特点说明在此条件下,其具有很强的机动性,该现象与其升力系数在低速时较高的情况相符合。
[硕士论文] 胡强
物理电子学 湖南师范大学 2017(学位年度)
摘要:高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)技术是21世纪以来肿瘤治疗中最为有效且最具潜力的治疗方式之一,目前已被广泛应用于临床医疗领域。HIFU肿瘤治疗技术主要是利用HIFU的高温热效应机制来破坏肿瘤组织,使肿瘤组织高温消融,达到切除肿瘤的目的。为了更有效的切除肿瘤且不损伤人体正常组织,在治疗过程中对温度的实时监控尤为关键。本文利用普罗公司的高强度聚焦超声实验系统,获取了HIFU辐照前后离体猪肉组织的B超图像和对应的温度信息,并对实验数据进行相关预处理,对无损测温方法也做了进一步的研究。
  本研究主要内容包括:⑴对实验获取的离体猪肉组织B超图像进行预处理。主要包括对B超图像进行筛选、辐照前后B超图像相互对应、灰度变换以及图像大小的裁剪等,为后续的研究做好充足准备。⑵对辐照前后图像的增强及配准。利用空间域灰度级-彩色变换伪彩色增强算法对HIFU辐照前后的B超图像进行伪彩色增强,使B超图像的色彩信息更加明显。同时,介绍了基于SIFT(Scale Invariant Feature Transform)和SURF(Speed-Up Robust Feature)两种基本图像配准算法,引入了一种能够充分利用图像颜色信息和全局信息进行图像匹配的CSURF(Color Speed-Up Robust Feature)配准算法,并将其应用于HIFU辐照前后的B超图像配准,结果表明,利用CSURF算法对伪彩色增强后的HIFU辐照前后图像进行配准,能精确确定出辐照区域,为后续的无损测温提供重要的图像数据。⑶提出了一种基于频谱图像灰度共生矩阵的无损测温方法。利用高强度聚焦超声辐照新鲜离体猪肉组织,获取辐照前后的B超图像的减影图像。采用Hadamard变换对B超减影图像进行处理,获取频谱图像,将频谱图像的灰度共生矩阵惯性矩作为反应温度变化的信息参数。实验表明:不仅单组数据的Hadamard-GLCM惯性矩(HGMI)和温度能很好的线性拟合,而且多组数据的Hadamard-GLCM惯性矩与温度也成近似的线性关系,且斜率非常接近,拟合度更接近1。拟合误差小,对温度的分辨能力高,容错能力强。与传统的测温方法相比有着明显的优势,能为HIFU治疗过程中的无损测温提供有效的实时依据。
[博士论文] 王东恩
化学生物学 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:作为一类独特的共轭聚合物,聚联乙炔具有在外界刺激下产生由蓝到红的颜色变化,并伴随无荧光到有荧光发射的性质。这种特殊的光学性能使其在生物和化学传感器领域具有广泛的应用前景。目前,基于聚联乙炔的比色和荧光传感器已成功实现了对病毒、细菌、蛋白质、金属离子、有机溶剂等多种生物和化学分析物的识别检测。随着时代的进步,在社会发展的各个领域,越来越多不同种类的分析检测对象层出不穷,这对聚联乙炔型传感器提出了更大的挑战,同时也提供了更多的发挥空间。因此,进一步发挥聚联乙炔材料优异的传感性能,构建更加灵敏高效的聚联乙炔识别体系,扩展其检测对象和应用范围是该领域发展的必然趋势。本论文以新型聚联乙炔传感器的构建为出发点,选取生物和化学中一些重要的分析物为检测对象,通过对二乙炔单体合理的设计和合成,成功地构建了几类基于聚联乙炔功能性组装体的传感体系,在实现对这些分析物识别检测的同时,通过对聚联乙炔检测体系和机理进行改进和创新,克服聚联乙炔传感器自身的一些局限,从而提高聚联乙炔传感体系的灵敏度和稳定性。所取得的主要研究结果如下:
  1.构建了功能化聚联乙炔脂质体传感体系,通过酶引发分子内自降解反应的方式实现了对β-葡萄糖醛酸酶(β-GUS)简单、快速和实时的分析检测。在该研究中,首先设计合成了一个新的二乙炔单体PCDA-GlcA,该单体包含一个β-D-葡萄糖苷酸基元作为亲水端基,将其通过一个能发生分子内自降解消除反应的4-羟基-3-硝基苄醇化合物与氨基化的二乙炔单体相连。利用该单体和10,12-二十五烷二炔酸(PCDA)以摩尔比率为3∶7制备的聚联乙炔脂质体能够灵敏地实现对β-GUS活性的实时可视化分析检测。机理研究表明,该体系对β-GUS的识别机理是酶特异性水解β-D-葡萄糖苷酸基元所引发分子内的自降解反应和随后的一系列分子间的相互作用导致了聚联乙炔共轭骨架构象的变化,而产生光学信号的响应。最后,为了验证其实际的应用价值,所构建的检测体系成功用于对酶抑制剂的抑制效率测定,测定结果与文献报道具有较好的一致性。
  2.构建了包裹有聚联乙炔脂质体的凝胶微球传感体系用于对铅离子(Pb2+)更加灵敏和非侵扰性的检测。在该研究中,首先设计合成了一个多巴胺改性的聚联乙炔脂质体PCDA-DA,利用该单体和PCDA以摩尔比率为1∶9制备的聚联乙炔脂质体传感体系不仅能够实现对水中Pb2+比色和荧光的检测,并且具有非常好选择性。检测机理实验表明,其对Pb2+的识别机理可能是多巴胺基团和羧基基团对Pb2+强的络合作用而引起聚联乙炔产生光学响应。为了克服聚联乙炔脂质体传感体系的局限(如稳定性差、灵敏度低),我们进而结合微流控芯片液滴技术,将聚联乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液混合制备成液滴,利用海藻酸钠遇钙离子形成凝胶的原理,将混合液滴进行固化,从而构建了包裹聚联乙炔脂质体的海藻酸盐凝胶微球。首次利用该聚联乙炔脂质体的固定化凝胶微球传感体系,在提高稳定性的基础上,实现了对Pb2+更加灵敏的检测,可视化检测限可达200 ppb,并且凝胶微球在检测完成后能够从样品中移除,实现一种非侵扰性的检测。
  3.构建了一类新型的具有荧光信号自放大效应增强的聚联乙炔脂质体传感体系,并将其用于灵敏和选择性检测阳离子表面活性剂(CS)。在该研究中,设计合成了一类链端带有萘酐衍生物荧光基团的二乙炔单体,将该类单体与PCDA经共组装制备了二乙炔脂质体结构,在该脂质体未聚合之前,表现出源自于萘酐衍生物荧光团强烈的绿色荧光,通过光引发二乙炔脂质体聚合,该荧光基团的荧光可发生猝灭,而聚联乙炔的热致变色又可使其荧光恢复,从而实现了聚联乙炔传感体系荧光信号自放大效应的增强。对该现象的详细机理研究表明,引起荧光基团荧光猝灭的原因是受激发的荧光团向形成的共轭骨架之间的能量转移过程,荧光恢复则是由于热致变色引起了脂质体形态的变化,导致了荧光团与共轭骨架之间的距离增大,减弱了它们之间能量转移过程。进一步的研究发现,CS也能够引起该体系发生荧光恢复,并伴随独特的颜色变化,通过对其吸收和荧光变化的量化分析研究发现,所构建的新的聚联乙炔脂质体传感体系,能够实现对CS更加灵敏和选择性的检测,检测的灵敏度相比与传统的利用聚联乙炔红相荧光性质进行检测的灵敏度高出一个数量级。
  4.构建了苯硼酸和萘酐衍生物功能化的聚联乙炔脂质体传感器,研究了其光学性质,初步探索了其对细胞表面聚糖的标记和成像。在该研究中,分别合成了对羟基苯硼酸改性的二乙炔单体PCDA-pBA和萘酐衍生物取代的二乙炔单体PCDA-Nap,制备了系列两种单体不同摩尔率的二乙炔脂质体分散液。光聚合实验发现,单体PCDA-Nap在总的二乙炔单体中所占摩尔比率不超过10%时,萘酐衍生物荧光基团的荧光能够有效地被形成的聚联乙炔共轭骨架猝灭。热致变色研究发现,以苯硼酸功能化的单体PCDA-pBA制备的脂质体溶液具有温度可逆响应性质,而随着单体PCDA-Nap的引入,所得脂质体体系逐渐丧失了热可逆性。本研究还利用苯硼酸与唾液酸能够形成稳定硼酸酯结构的特点,构建了基于单体PCDA-pBA、PCDA-Nap和氨基化改性的二乙炔单体PCDA-EA的复合聚联乙炔脂质体,初步实现了对细胞表面含唾液酸残基的聚糖的标记和成像。
  综上所述,本研究通过对二乙炔单体的设计和合成,以及对检测体系的优化和改进,成功地构建了几类功能化的聚联乙炔组装体,实现了对几种生物和化学分析对象的灵敏和选择性的检测。该研究为聚联乙炔材料在传感器领域中的应用提供了研究基础和指导,同时也为构建更加灵敏和高效的聚联乙炔型传感器提供了新的方法和思路。
[博士论文] 刘琳
高分子化学与物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:DNA结合蛋白,例如转入因子和DNA修复蛋白,搜寻其坐落在DNA大量非特异性结合位点中的特异性结合靶点位置的过程在许多生物反应过程中起到了至关重要的作用,这些生物反应过程包括了基因的表达和管理等。在二十世纪七十年代,Riggs等人在体外实验中发现特异性结合蛋白对其DNA上特异性靶点的搜寻过程是非常迅速并且高效率的,其速率比三维极限扩散速率(threedimensional diffusion limit)大约100倍。为了解释异常大的蛋白质与DNA特异性结合速率与三维极限扩散速率之间的矛盾,Berg等人在一系列开创性文章中提出并发展了如今被广泛接受和应用的促进扩散机理。促进扩散机理的基本思想是蛋白质搜寻特异性靶点的过程采用了在溶液中三维扩散与在DNA链上一维滑移相结合的方式。随后,许多关于促进扩散的理论方面、实验方面、数值模拟方面的研究被进行和发展。在第一章中,我们给出一个关于促进扩散研究进展的综述。
  近十年以来,学者们更加关注在体内环境下的促进扩散机理的研究。在生物细胞内存在着10%-40%细胞体积分数的大分子,例如蛋白质,核糖体等。这些在细胞内的大分子导致了一个拥挤的细胞内环境。分子拥挤效应对靶点搜寻动力学有着非常重要的影响。在第二章中,我们采用了理论分析和二维朗之万模拟的方法,研究了分子拥挤效应在靶点搜寻动力学中的作用。我们发现搜寻时间τ随着拥挤剂粒子浓度φ的增加单调增加,并且通过对搜寻过程中的动力学细节的深入研究,我们发现造成这种单调增加行为的主要原因是平均循环数和平均一维扩散时间的单调增加,同时平均二维扩散时间随着拥挤剂粒子浓度的变化基本保持不变。另外,对于二维扩散,拥挤分子带来的牢笼效应减小了二维跳跃长度并且收窄了二维跳跃长度的分布。
  在细胞内,接近30%的DNA链位点被拥挤大分子覆盖,形成路障,从而阻碍特异性结合蛋白的一维搜寻。在第三章中,我们利用三维朗之万动力学模拟方法研究了路障粒子对促进扩散动力学的影响。对于一对以靶点粒子为中心对称摆放的路障粒子的情况来说,我们发现随着路障粒子与靶点粒子的摆放距离的增加,平均搜寻时间τ先是快速下降然后趋于平缓。对于多个路障粒子任意摆放的情况,随着任意摆放的路障粒子浓度φ的增加,搜寻时间可能起初增加并逐级达到最大值,然后令人惊奇的减小。搜寻时间也可能总是随着路障粒子的浓度增加而增加,这取决于非特异性结合能的大小和DNA链占总空间的体积分数。我们的研究结果协调了之前研究文献中对路障粒子在靶点搜寻过程中的角色的结论分歧。尤其,上述的τ随着φ变化的非单调行为表明,在φ到达某一临界值后路障粒子可能有利于靶点搜寻。
  在第四章中,蛋白质在溶液中的亚扩散和其隐含的分子拥挤条件是我们所关注的。在三维溶液中,我们使用分数布朗运动的方法去模拟蛋白质粒子的非正常布朗运动和亚扩散运动。我们展示了对于非特异性结合能ε的变化平均搜寻时间τ有明显的最小值,无论是在正常扩散还是亚扩散的情况。我们发现对于更小的亚扩散指数α这个随ε变化的最佳的靶点搜寻时间就越长,并且这样的趋势非常明显。我们将对于更小α的情况平均搜寻时间的增加归结为平均三维扩散时间的增加和分数布朗运动的运动特性造成的更多重复位点搜寻所造成的。
  我们相信我们的工作为细胞内环境下的促进扩散动力学的研究提供了更深入的认识和新的视野。
[硕士论文] 张祎楠
生物化学与分子生物学 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:心房作为心的腔室,在正常的心动周期中发挥着重要作用,且在心房整个跳动周期内,大约85%的时间处于非收缩状态,因此对心房肌被动力学性能的研究具有重大意义。但是目前对其研究还很少,而且基本采用拉伸测试手段,不能提供足够数据以获得更加精确的材料特性。所以,对心房肌多轴向的剪切测试就显得相当迫切。本文选用猪心作为实验材料,通过组织学观察选取适合的心房肌区域用于测试其被动剪切力学性能;并通过心房与心室力学数据的比较以了解心肌组织不同区域的力学性能是否存在差异。
  获得的实验数据不仅可以为心肌的有限元建模提供材料参数,用于进一步的建模研究,还可以用于组织工程中心脏补丁材料的选择,对植入性医疗器械开发、植入位点的选择,及提高相关诊断技术有一定意义。
  本文主要研究内容及相应结果如下:
  (1)详述了由我们设计组装的一台适合于生物软组织剪切力学性能研究的设备,通过空载证明了设备的稳定性,通过已知相关材料参数的凝胶完成了验证实验,证明了设备的准确性。
  (2)通过组织学技术(石蜡切片)对心肌不同区域的观察,选取左心房中适合于被动剪切力学性能研究的2个区域的心肌,左心耳(LAA)和位于左心房后下方房室沟附近的区域(PI),为便于比较心房与心室肌被动力学性能是否存在差异,同时测试了左心室心肌的性能。
  (3)对所选三个区域的心肌进行剪切试验,结果表明,作为一种生物软组织材料,心房肌表现出了非线性、各向异性(正交各向异性)、黏弹性、应变软化的材料特征;且三个区域心肌组织的平均峰值应力的比较结果显示左心耳与左心室区域的心肌刚度相似(P>0.05);PI区域的心肌刚度显著小于其它两个区域(P<0.05);进一步比较显示PI区域的心肌在所有应变水平及所有剪切方向中其平均峰值应力均小于其它两个区域,这表明心肌非均匀的材料性质。
  基于以上结果,我们不能简单地用一组心肌力学参数表述整个心肌组织的材料特征。而且其中的非线性、各向异性的材料性质是取决于局部心肌组织成分及心肌显微结构轴(沿纤维方向、心肌层向、心肌层的法向)。
[硕士论文] 赵晨晨
生物物理学 中南林业科技大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,随着科技的不断发展,以硅材料为基础制作的电子元器件已经越来越无法满足人们的需求。对于电子元器件的要求已经不仅仅限于尺寸方面,在性能方面也需要有进一步的提升。当缩小单个电子元件的尺寸时,不仅制作工艺繁复程度及生产成本都会大幅度上涨,性能方面无法实现质的飞跃,还会受到量子力学和热力学规律的制约,使硅基材料器件的发展非常艰难。但是随着微观操控技术、微组装技术、微观观测技术和生物物理学的发展,人们不仅能对有机分子器件的结构和功能进行观测和模拟计算,还可以操控纳米尺度的单个有机分子,制作有特定功能的分子器件。这些分子器件被认为是慢慢接近尺度极限的传统电子器件的最合适的替代者。因此在实验和理论两方都吸引了越来越多的关注。
  本论文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法研究几种有机分子器件的电子输运性质。研究工作包括以下三个方面:(1)锡-酞菁装置中的自旋过滤,结果表明,锡-酞菁装置中自旋向上和自旋向下的投影态密度的峰值在0.74eV会先向费米能级附近移动,随着锡原子与酞菁分子距离的增大,峰值逐渐远离费米能级。在左右电极磁场平行配置中可以观察到由于结构重组导致自旋向下过滤转变为自旋向上的过滤。在左右电极磁场反平行配置中,在两个电极的能带匹配程度将占据锡-酞菁装置电子性质的主导地位。自旋过滤器类型转换可以通过将锡原子拉离锡-酞菁装置或翻转一个电极的磁场实现。(2)磁性原子嵌入锯齿形6,6,12石墨炔纳米带的高自旋过滤效应和半金属性研究,结果表明,当磁性原子掺杂在6、6、12-ZGYNRs天然“洞穴”时其能带会发生自旋分裂现象。特别是,由于边缘态与杂质态耦合导致边缘纳米带上碳原子的磁矩翻转,在钴掺杂的石墨炔中可观察到半金属性。而且在这种掺杂的纳米带内发现在相当宽的偏压范围内有高自旋过滤效应,为自旋电子学器件的应用提供了一种可能性。(3)研究中心分子与左右电极耦合效应对分子器件的电子输运特性的影响。主要观察非那烯分子与石墨烯纳米带所在平面的夹角为0°,30°,60°时电子输运性质的不同的表现。计算结果表明,随着偏转角度的增加,该分子器件的电压-电流特性逐渐变好。
[硕士论文] 李俊霖
生物医学工程 北京协和医学院;中国医学科学院;清华大学医学部;北京协和医学院中国医学科学院 2017(学位年度)
摘要:磁声成像(Magnetoacoustic tomography,MAT)是一项结合了电磁成像高对比度与超声成像高空间分辨率的新型组织电特性功能成像技术。MAT通过检测组织基于洛伦兹力产生的磁声信号重建电导率分布。分析磁声信号的特性具有重要意义。本文基于优化的MAT系统,针对不同材料不同实验条件下的磁声信号进行了时频特征分析,主要从激励源特性、静磁场条件、声换能器特性、样本特性等方面对磁声信号进行了研究。首先,针对MAT的实验系统平台进行了优化和测试,提高了系统的信噪比,确保了实验的准确性、可靠性和稳定性。其次,通过对不同样本磁声信号的特征分析和研究,发现生物组织和类生物组织在静磁场为零的条件下,仍有与磁声理论不符的声信号产生,说明该类组织信号中包含大量非磁声信号。再次,设计实验对该非磁声信号特性进行了系统的分析,实验得出产生该信号的非洛伦兹力声源为矢量源、且与激励强度二次正相关,与组织电导率和硬度参数线性正相关,结合实验条件及理论模型,推断该非磁声信号为热声信号。基于MAT与TAT(Thermoacoustic tomography,TAT)理论,分别对不同材料的磁声信号及热声信号进行了仿真研究及对比分析,仿真结果进一步验证了实验结论。
  本文通过分析不同材料不同实验条件下声信号的特性,发现了不同类材料样本磁声信号的特点,探究了在生物组织与类生物组织中占优的非洛伦兹力声源特性,为进一步提高MAT重建质量,优化MAT理论及实验方法提供了新思路。
[硕士论文] 王磊
生物物理学 中南林业科技大学 2017(学位年度)
摘要:纳米尺度下气体在固液界面上的聚集行为被证明对固液界面性质有着重要的影响,并且在流体动力学、表面化学、胶体化学、环境和生命科学等众多领域具有广阔的潜在应用价值,引起了科学工作者极大的关注和重视。关于如何解释界面纳米气泡的稳定存在机理以及相比于宏观尺度下较大的接触角是目前纳米气泡研究的争议中心和亟需解决的核心问题。界面纳米气泡的研究离不开基底。从理论上讲,上述两个关键问题都直接涉及产生纳米气泡的基底,因此基底的性质是影响纳米气泡界面性质不可忽略的关键因素之一。一方面,气泡在不同基底上的形成,稳定性以及界面形貌都可能不同;另一方面,受基底性质的影响,不同的基底得到的纳米气泡的接触角也可能不一样。但目前各个实验组研究的基底都相对单一,生成纳米气泡的大小和数量的可控性和重复性差,所以,迫切需要找到一种通过控制基底的界面结构和性质来控制纳米气泡的大小和数量的方法来进一步研究纳米气泡的基本物理性质,形成机理和稳定机制等关键问题。基于以上目的,本论文利用先进的微纳米加工技术—电子束光刻(EBL)直写技术制备不同尺度、和不同疏水性的纳米周期性结构基底。通过先进的纳米观测技术—原子力显微镜(AFM)技术对纳米气泡在周期性结构基底上的吸附行为和界面特性的研究发现纳米气泡主要吸附于周期性结构上的疏水区域且受限于疏水结构的尺寸进而引起接触角的变化。与此同时,相应的分子动力学模拟也进一步证实了疏水结构对纳米气泡的限制作用,使得实验与模拟能够相互印证,相互支持。这将为实现通过基底的性质来人为调控纳米气泡的生成和界面吸附的目的,为探索纳米气泡在微流体器件方面的应用提供实验基础。
  生理惰性气体进入人体后与一些生物分子或者离子通道结合进而对许多生命过程发挥着重要的作用,如生物麻醉,神经、组织保护等,然而人们对其内在的作用机理却是知之甚少。分子动力学研究发现聚集态的氮气分子可以特异性地与蛋白的活性位点结合,而游离的氮气分子却不具有这一特异性结合效应。随着纳米气泡的发现,这似乎为我们提出了一个新的思路。惰性气体分子能够在蛋白分子的疏水基团发生特异性结合形成气泡从而使得这些基团的生物功能被屏蔽失效,当气体被清除掉后,相应的生物功能可能会恢复。基于这一设想,我们通过上海光源BL15U同步辐射硬X射线荧光吸收谱和荧光成像技术对Xe和Kr在胃蛋白酶上的吸附情况进行了研究,结果表明Xe和Kr在含胃蛋白酶的溶液中的含量都比不含胃蛋白酶的水溶液高。纳米粒子追踪实验结果表明含Xe的胃蛋白酶溶液中的粒子浓度比不含Xe的胃蛋白酶溶液高,这可能是由于Xe分子与胃蛋白酶结合形成较大粒子进而被捕获。分子动力学结果表明,不同的气体分子可以在胃蛋白酶分子上特异性地聚集为气泡。相关的蛋白活性实验也表明加入N2,Xe,Kr的胃蛋白酶溶液,其蛋白活性降低,经脱气处理后,蛋白活性恢复。这就为我们深入理解气体分子的生物效应提供了新的思路。
[硕士论文] 杨晓炜
生物物理学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:本实验通过对高压静电场(HVEF)处理后的E.coli K12 W3110细胞膜、胞内酶活性、胞内蛋白质一级结构及二级结构的变化以及细胞可逆修复等方面的研究,揭示了高压静电场对E.coli的损伤机制。结果如下:
  (1)测定静电场处理后的菌体洗脱液核酸和蛋白含量,发现随着处理时间的增加,核酸和蛋白含量呈振荡变化,说明HVEF对E.coli细胞膜有损伤效应。用流式细胞术双染分析,发现同一电场,亚死细胞比例随着处理时间的增加而增加,剂量为5kV*6min和7kV*6min时,亚死细胞比例均达到最大,分别为(65.13±2.62)%和(45.87±0.45)%,之后该比例随着处理时间的增加而减小,即亚死细胞逐渐变为死细胞,表现为电场损伤的累积效应。
  (2)对电场处理后的E.coli胞内蛋白进行SDS-PAGE凝胶电泳和傅立叶变换红外光谱分析,发现不同剂量电场处理的胞内蛋白电泳条带与未处理菌体蛋白的泳带没有差别,即HVEF没有改变E.coli胞内蛋白质一级结构;1kV/cm的HVEF处理后菌体蛋白中β折叠向α螺旋转变,而3、5、7kV/cm的HVEF处理后的菌体蛋白α螺旋和β折叠向β转角和无规卷曲转变,即有序结构向无序结构转变。所以,1kV/cm的HVEF可能对胞内蛋白活性有激活作用,而3、5、7kV/cm的HVEF对E.coli胞内蛋白活性均有损伤效应,且损伤效应最强剂量为5kV/cm。用流式细胞术CFDA单染分析,剂量为5kV/cm*2min和7kV/cm*2min时,CFDA阳性细胞比例均为同一电场强度下最低,说明静电场会损伤E.coli细胞内酶活性。之后,酶活性均有不同程度的增加,可能静电场对E.coli细胞内酶活性有激活作用,最佳激活剂量为5kV/cm*4min和7kV/cm*6min。随着电场处理剂量增加,总的变化趋势为振荡下降型。即静电场对E.coli胞内酶活性的损伤呈振荡增加的趋势,表现为电场损伤的累加效应。
[博士论文] 李金芳
生物物理学 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:分子马达或马达蛋白广泛存在于细胞内部,可以高效地将化学能转化为机械能,从而产生定向运动。生命活动中的许多过程,比如货物运输、遗传信息表达、细胞运动、肌肉收缩等,都与分子马达的运动有关。近年来,分子马达的动力学一直是生物物理学的研究热点之一,尤其是集体马达系统,因其复杂的动力学行为而受到广泛关注。
  分子马达可以分为持续(processive)马达和非持续(nonprocessive)马达。非持续马达的“在位比”很低(≤2%),常常以集体形式发挥作用,但其协同作用机制目前仍不十分清楚。本文研究了非持续肌球蛋白Ⅱ型分子马达集体协作时的动力学非稳定性及效率,主要内容及成果如下:
  1、有些类型的肌肉能自发产生振动,普遍认为这与分子马达系统的动力学非稳定性有关。基于两态棘轮势模型并考虑分子马达的弹性(模型Ⅰ),研究了集体Ⅱ型肌球蛋白分子马达的动力学问题。当分子马达弹性较小时,分子马达系统的速度随负载力的增加单调下降;当马达弹性增大时,在力-速度关系曲线中出现动力学非稳定性。如果马达弹性足够大,则零速度点位于力-速曲线的非稳定区域,马达系统会在运动停止前进入动力学非稳定区域。如果该马达系统与其环境弹性耦合,则会出现自发振动,振动频率和马达弹性、马达绑定率、弹簧弹性以及ATP激发域的宽度等参数有关。对于中等马达弹性,零速度点位于力-速曲线的非稳定区域之外,故马达系统会在动力学不稳定性发生之前停止。
  2、机械效率是衡量马达集体协作的一个重要指标。利用模型Ⅰ研究发现,分子马达系统的机械效率远低于实验观测值。如果在模型中同时考虑肌球蛋白Ⅱ马达的以下两个特征(称之为模型Ⅱ),马达系统的机械效率就会大大提高并与实验结果一致:(1)分子马达从分离态到绑定态的转换只能发生在反应坐标的特定“结合位点”区域。(2)绑定态势阱彼此相互独立,即一个绑定马达必须先从细丝上脱离,然后才能绑定到另一个结合位点。在两个模型中,机械效率均随马达弹性系数的增加而增加。在模型Ⅱ中,如果ATP激发率较大,马达系统在高速运输时还能保持高能效,这一特征很适合肌肉的收缩功能。
  这些研究有助于理解分子马达之间的协作机制以及不同类型肌肉结构差异和功能差异的内在联系,也能为设计高效的人造分子马达系统提供一定的理论参考。
[博士论文] 刘玮
电工理论与新技术 山东大学 2017(学位年度)
摘要:在辐射生物效应的研究中,探索DNA损伤与效应之间的关联性是一个重要的研究课题。DNA损伤与效应之间的关联,将辐射生物效应的机理指向了原初的DNA损伤信息,而探索本源的损伤机理,在DNA分子水平上建立细致的损伤信息与辐射终点效应的关联,将具有根本的索源意义。
  早期基于靶理论提出的L-Q模型建立了一个初略的辐射所致DNA双链断裂数与细胞存活的关联,该模型本质上反映的是剂量和效应的关联。细胞响应阈值模型建立了靶元中能量沉积与辐射终点效应的关联,该模型仍是反映剂量和效应的关联。显然,以上两类关联模型没有将损伤的机理指向原初的DNA损伤谱,不能揭示基本的DNA损伤信息与终点效应的关联性。因此,研究DNA损伤谱与靶元能量沉积的关联性,是搭建辐射生物效应和原初损伤关联的重要环节,是理论上解释辐射生物效应机理的关键,因而具有重要的科学意义。
  实验和理论研究已表明,几乎所有类型的电离辐射都会产生大量的低能电子(能量低于几keV),也称“δ射线”,它们会进一步与生物分子相互作用,使之激发或电离。而DNA分子作为遗传信息的携带者,是最重要的生物靶分子,DNA损伤,可能会导致基因突变、细胞死亡以及其他严重的生物学后果。因此,低能电子诱导的DNA损伤一直是辐射生物学研究的一个重要课题。
  获得DNA损伤谱是对辐射生物效应机理解释并预测生物效应的第一步。低能电子辐照DNA时,会产生大量不同类型的DNA损伤,包括单链断裂(SSB)、双链断裂(DSB)、碱基损伤以及链断裂与碱基损伤结合形成的簇损伤。DNA簇损伤是辐射所致细胞死亡和突变的关键损伤,被认为是难以修复且对细胞是致命的。因此,DNA簇损伤谱分布的研究具有更重要的生物学意义。然而,由于实验条件和理论计算的局限性,目前有关的研究基本上是针对高能粒子所诱导的简单DNA簇损伤,未能给出各种不同复杂类型DNA簇损伤的定量分析。
  本文应用Monte Carlo径迹结构模拟法,对包括亚电离电子作用的低能电子诱导的DNA簇损伤及其与DNA靶元和核小体靶元能量沉积的关联性作系统深入的研究。建立了一个更为严格的低能电子在液态水中的径迹结构模拟方法,计算了低能电子诱导的DNA直接损伤谱,定量分析了不同初始能量下,亚电离电子对于DNA单链断裂、双链断裂以及碱基损伤产额的贡献,研究不同类型DNA簇损伤以及核小体DNA损伤与靶元能量沉积的关联性。本文的研究工作,主要包含以下方面的内容和结果:
  1、论文的第一章,简要介绍了低能电子诱导DNA损伤与能量沉积关联性研究的背景及意义,综述了国内外在该领域的研究现状和研究方法。
  2、论文的第二章,描述了低能电子与液态水相互作用的两个弹性散射的模型,即Tan模型和Champion模型。前者主要应用基于解相对论性Dirac方程的Mott模型的平均散射截面方法,后者使用解非相对论性Schr(o)dinger方程的分波法,并考虑了液态水的凝聚态相效应。应用Emfietzoglou等发展的基于介电响应理论的光学数据模型计算低能电子在液态水中的非弹性散射,比较研究了基于两个弹性散射模型的低能电子在液态水中径迹结构的模拟,计算分析了液态水凝聚态相效应对表征径迹结构的能量沉积和非弹性散射事件空间分布的影响。结果表明,液态水凝聚态相效应的影响主要发生在较低的电子能量。基于此,并由于电子能量较高时Mott模型考虑了电子的相对论效应,提出并建立了一个更为严格的低能电子在液态水中径迹结构模拟方法。本章建立的模型可为辐射诱导DNA损伤的研究提供更为可靠的电子径迹结构。
  3、论文的第三章,建立了一个计及亚电离电子作用的低能电子诱导DNA直接损伤谱的模拟方法。尤其,这一方法中对低能电子与DNA各组分(四个碱基:腺嘌呤-Adenine(A)、胸腺嘧啶-Thymine(T)、鸟嘌呤-Guanine(G)、胞嘧啶-Cytosine(C),糖环-sugar moiety和磷酸基团-phosphate group)之间的弹性相互作用,使用了最新的理论计算截面。基于建立的模拟方法,系统地模拟研究了计及亚电离电子作用的低能电子诱导DNA碱基损伤、DNA链断裂及相应的簇损伤,定量分析了亚电离电子对不同复杂类型DNA链断裂和碱基损伤产额的贡献。结果表明:亚电离电子对DNA链断裂产额的贡献约为40-70%,且SSB为最主要的链断裂类型,随着初始能量的增高,SSB的相对产额逐渐增大;双链断裂类型的链断裂所占比重较小,并随着初始能量的升高而减小;亚电离电子诱导的DSB产额比相应的SSB产额要小约230-290%;亚电离电子对DNA碱基损伤产额的贡献约为20-40%,且A-T碱基对的损伤产额要比G-C碱基对的明显的高;由亚电离电子诱导的SSB和A-T碱基对损伤之间具有较强的关联性。本章的结果,尤其是亚电离电子的贡献,为辐射生物效应的研究提供了原初的损伤信息,是研究低能电子诱导的各类DNA簇损伤与能量沉积关联性研究的基础。
  4、论文的第四章,提出并建立确定六种类型的DNA簇损伤靶单元的方法,将DNA簇损伤分为简单簇损伤和复杂簇损伤两类,前者由每种类型的单链断裂与邻近碱基损伤结合构成,后者包括每种类型的双链断裂与邻近碱基损伤的结合。应用Monte Carlo径迹结构模拟法,系统地模拟不同初始能量下低能电子诱导的DNA簇损伤谱,定量研究简单簇损伤和复杂簇损伤关联的能量沉积分布特征,定量研究能量沉积与DNA簇损伤的关联规律。本章的研究获得了如下的结果:
  (1)不同初始能量下,总的簇损伤相对产额随能量沉积的变化规律一致,约90%簇损伤的能量沉积分布在约低于150 eV的范围,简单簇损伤为最主要的簇损伤,约占全部簇损伤的90%;
  (2)不同初始能量下,简单簇损伤的能量沉积分布规律相似,能量沉积主要分布在约低于150 eV的范围,峰值出现在约50 eV处;
  (3)在考虑的电子初始能量范围内(≤4.5 keV),SSB+BD(单链断裂与邻近的碱基损伤结合)簇损伤谱由1个单链断裂分别结合1到5个碱基损伤构成,SSB+BD类型的簇损伤约占简单簇损伤的75-90%。随着碱基损伤数目的增加,SSB+BD簇损伤靶元内的平均能量沉积逐渐增大。碱基损伤数一定,不同初始能量下的SSB+BD簇损伤靶元内的平均能量沉积变化不大,即靶元内的能量沉积主要取决于DNA损伤的复杂性,对初始能量的依赖很小,这是DNA靶元能量沉积与DNA簇损伤关联的一个重要特征。此外,1个单链断裂结合1个碱基损伤是最主要的SSB+BD簇损伤,约占SSB+BD簇损伤总产额的80%,SSB+BD簇损伤复杂性越高,能量沉积越大。
  (4)在复杂簇损伤中,DSB+BD(双链断裂与邻近的碱基损伤结合)簇损伤占主导地位。在考虑的电子初始能量范围,DSB+BD损伤谱由1个双链断裂分别结合1到5个碱基损伤构成。其中,1个双链链断裂结合1个碱基损伤构成的DSB+BD是最主要的复杂簇损伤,约占全部DSB+BD簇损伤的83%,其平均能量沉积约为106 eV。随着复杂性增加,能量沉积逐渐增大,平均能量沉积亦明显的大,但很难形成。然而,尽管复杂簇损伤的产额很小,但它们的生物效应不可忽略。
  本章的工作定量地研究了不同复杂性DNA簇损伤与DNA靶元能量沉积的关联性,揭示了相应的关联特征,为辐射生物效应和原初损伤的关联搭建起关键的环节,从而使辐射生物效应机理的研究能够指向原初的损伤谱。
  5、论文的第五章,建立了核小体的体积模型以及模拟核小体DNA损伤谱的Monte Carlo方法,并提出DNA链断裂关联损伤的概念。应用建立的MonteCarlo方法,模拟获得了核小体靶元中的DNA链断裂关联损伤和DNA簇损伤谱,定量研究了核小体靶元能量沉积与其上的DNA损伤的关联规律,获得了如下的
  结果:
  (1)不同初始能量下,核小体靶元DNA链断裂关联损伤的相对产额随靶元能量沉积的变化规律一致,具有DNA链断裂关联损伤的核小体靶元中90%的能量沉积分布在约低于180 eV的范围。
  (2)简单的单链断裂SSB,是核小体DNA中最主要的链断裂类型,约占全部链断裂产额的80-90%。不同初始能量下,SSB关联损伤的能量沉积分布规律相似,主要分布在约低于180 eV的范围,且SSB关联损伤的谱分布峰值出现在约30 eV处。SSB关联损伤中,碱基损伤数为0和1的SSB关联损伤是核小体DNA的SSB关联损伤最主要的损伤类型,约分别占全部核小体DNA的SSB关联损伤的70-90%和10-20%。
  (3) DSB是核小体DNA最主要的双链断裂类型,约占全部双链断裂产额的85-95%。在所考虑的初始能量范围(≤3 keV),核小体DNA发生DSB关联损伤时,结合的碱基损伤数从0到3,所对应的核小体靶元内的平均能量沉积分别为101.86 eV、122.79 eV、159.80 eV和229.28 eV。这表明了结合的碱基损伤数越多,损伤复杂性越高,能量沉积越大。其中,碱基损伤数为0的核小体DSB关联损伤是最主要的DSB关联损伤类型,约占全部核小体DSB链断裂关联损伤的70-80%。
  (4)簇损伤是复杂性较高的链断裂关联损伤,其产额很小,占核小体DNA链断裂关联损伤的12.48%。不同初始能量下,SSB+BD簇损伤是最主要的DNA簇损伤。在核小体靶元中,当DNA分别发生简单簇损伤和复杂簇损伤时,核小体靶元的平均能量沉积约分别为112.68 eV和170.88 eV,明显高于相应的链断裂关联损伤的平均能量沉积。
  本章对于核小体DNA损伤谱与相应靶元能量沉积的关联性研究,为辐射生物效应机理研究提供了相应的理论参考。
[博士论文] 陈笑风
固体力学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:大量实验表明胞外基质的力学性质,比如刚度、拓扑结构、变形等,可以调控细胞的形态、迁移、基因表达等。细胞的这种能感知周围环境的力学信号并产生响应能力称为细胞的力敏感性。细胞与基体相互作用是细胞力敏感行为的重要组成部分。本文从分子尺度、亚细胞尺度、细胞尺度三个尺度分别研究了细胞与基体相互作用,从力学角度为更深入地理解细胞与基体相互作用提供了新的思路和方法。
  本研究主要内容包括:⑴经典的滑移键强度理论认为,当加载速率低于某个临界值时,经典键合强度会变为零。这个预测与一些实验观察相悖。本文基于键合在低加载速率下可再结合的假设,提出了平均键合强度的理论。分析表明平均键合强度在低加载速率下逐渐饱和,饱和值随着系统刚度的增大而增大。本文认为平均键合强度可作为一种衡量滑移键强度的新物理量在动力学力谱实验中进行测量。⑵基于不同形式的双态模型,本文构建了两种类型的逆锁键,研究了两类逆锁键在不同变载荷作用下的动力学特性。当逆锁键受到先加载后固定的载荷时,两类逆锁键具有相似的寿命与载荷关系。在受到其它形式的变载荷时,两类逆锁键的记忆性却表现出显著的不同。⑶在生理条件下,分子键团簇受到振动载荷的作用,其稳定性受到单分子键的解离和结合动力学特性的调控。通过求解受体与振动配体结合的扩散反应方程,本文发现在大部分生理条件下受体与振动配体结合可以简化为与扩散无关的过程。分析结果表明,键合的平均结合时间在高频时趋于饱和,且存在一个最佳键合刚度使得平均结合时间最小。⑷研究了分子键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明滑移键团簇有两种失效模式:寿命较长的滑移失效模式和寿命较短的快速失效模式。滑移键团簇的寿命随着循环载荷幅度和频率的增大而减小,但高频时趋于饱和。本文还发现了滑移键团簇反常的稳定性增强现象:当循环载荷的振幅较高而频率较低时,滑移键团簇的寿命会显著增加。参数研究表明,单分子键的随机动力学特性和循环载荷的形式都对该现象有显著影响。⑸模拟了键合均为第一类逆锁键或第二类逆锁键的两种逆锁键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明循环载荷倾向于降低两类滑移键团簇的稳定性。两类逆锁键团簇的寿命都随着振幅增加而降低,且都随着频率增加而降低并逐渐饱和。⑹从弹性肌节粘附模型出发,同时考虑了黏着斑中的拉力和剪切力的作用,研究了细胞的最终取向和拉伸应变比的关系,以及不同初始角度、不同拉伸应变比的细胞旋转动力学过程。本文提出的理论成功解释了双轴循环拉伸下的细胞旋转实验结果。
[硕士论文] 赵利贤
凝聚态物理 山东建筑大学 2017(学位年度)
摘要:作为自然界中唯一进化出飞行能力的哺乳动物,蝙蝠具有灵敏且精确度极高的生物声呐系统,小蝙蝠亚目的所有种类的蝙蝠都是利用自身的生物声呐系统完成捕食和环境探测等一系列行为。蝙蝠通过喉腔中声带振动产生的超声波信号,口腔和鼻叶作为声音通道使得超声波信号向外发射,随后周围环境中的生物或者非生物作为障碍物会使发射出的超声波信号受阻并发射产生回波信号,蝙蝠的耳朵作为生物声呐系统的接收部分会接收回波信号。目前的研究工作表明,在超声波向外传播的过程中,蝙蝠头部的某些生物声呐器官(例如耳廓、耳屏等结构)会在超声波信号向外传播的过程中对蝙蝠的发射声场产生影响。
  本文研究内容主要包括两部分:
  (1)捕获研究对象并完成中华菊头蝠双耳耳廓运动轨迹的提取。在适合蝙蝠生活的野外洞穴中捕获中华菊头蝠样品后,使用高分辨率高速摄像机拍摄不同方向不同角度的棋盘格图片和蝙蝠接收声音信号时双耳运动的图片,其中棋盘格图片用于相机标定,蝙蝠双耳运动图用于提取蝙蝠耳廓上人工标记的二维点信息,结合相机标定结果和蝙蝠耳廓二维点信息,综合得到蝙蝠双耳的运动轨迹。
  (2)研究主要包括捕获研究对象并完成马来假吸血蝠耳廓的三维重构和数值计算两部分。采集得到马来假吸血蝠作为实验对象后,利用高分辨率Micro-CT扫描仪对马来假吸血蝠耳廓结构进行X射线扫描,得到马来假吸血蝠耳廓结构的X射线投影图。利用三维锥形光束重建算法对该投影图进行处理,得到一组具有多灰度等级的断层图像,随后通过高斯滤波及二值化处理得到马来假吸血蝠耳廓的二值化图像,最终将二值化图像累计叠加得到用立方体体素构成的马来假吸血蝠耳廓的三维数字结构。随后通过人工处理,结合计算机图像处理和三维可视化技术分别对马来假吸血蝠耳廓结构进行填补耳屏分叉和整体剔除耳屏处理,得到原始耳廓三维数字结构、填补耳屏分叉后的耳廓三维数字结构和剔除耳屏的耳廓三维数字结构。得到马来假吸血蝠耳廓的不同三维数字结构后,以耳廓三维数字结构为基础,在耳道内放置一个高斯脉冲点源最为激励源,使用专业计算机进行数值仿真计算,我们将计算区域人为地分为近场和远场。近场采用时域有限差分法得到近场声场的声压幅度值;基于近场声场的计算结果,利用基尔霍夫积分可得到远场声场的声压分布。近场声场的数值解可通过可以随意移动位置的三个相互垂直的平面表示,且近场声压分布中,颜色不同,所代表的的声压幅度值不同;远场声场采用远场声压分布图和声场辐射波瓣图表示,其中远场声压分布图可以表示具体的远场幅值,远场波瓣图可以表征声场的方向性,应重点关注其外形。
  通过分析马来假吸血蝠耳廓不同的三维数字结构的计算结果,得到结论如下:马来假吸血蝠的耳屏及耳屏内的分叉结构不但会对近场声压幅度值的大小产生影响,而且对远场声压分布和形成远场接收方向性波瓣起一定的作用,且有明确的频率选择性。在对近场声压产生影响时,耳屏的影响对象主要是耳廓内的声压幅度值:高斯脉冲点源频率为低频和高频时,剔除耳屏后的耳廓内声压幅度值相较于原始耳廓结构中声压幅度值大且声压分布更均匀;高斯脉冲点源频率为中频时,剔除耳屏后的耳廓内声压幅度值相较于原始耳廓结构中声压幅度值小,并且原始耳廓结构内声压分布相对更加均匀。在对远场声压分布和远场接收方向性产生影响时,耳屏对声压分布和远场辐射波瓣图中主瓣和旁瓣的分布产生影响,高斯脉冲点源频率为低频和高频时,依靠拆分主瓣从而形成两个或两个以上的旁瓣来完成信号的调节;在高斯脉冲点源频率为中频时,信号的调节通过将能量较弱的旁瓣合并成为能量强的主瓣来实现。
[硕士论文] 陈晨
生物工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:电离辐射(ionizing radiation, IR)可通过直接或间接作用造成机体损伤, microRNA(miRNA)是一类非编码小RNA,与电离辐射损伤密切相关。表没食子茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)是茶多酚中抗氧化活性最高的成分,主要通过清除自由基等方式发挥辐射防护作用。目前关于 EGCG的研究多集中在辐射防护方面,而进一步的辐射防护分子机制研究较少。
  为从miRNA角度探究EGCG的辐射防护分子机制,首先建立小鼠辐射损伤模型,采用高通量测序技术对小鼠体内的miRNA进行差异表达筛选。小鼠经一次性总剂量为4 Gy的60Co全身辐射后,其肝脏中共鉴定出48个差异表达的miRNA,包括20个表达上调的miRNA以及28个表达下调的miRNA。辐射后小鼠胸腺中差异表达的miRNA共有112个,其中77个miRNA上调,35个miRNA下调。qRT-PCR验证结果与测序结果一致。靶基因预测结果显示,小鼠体内差异表达miRNA的靶基因主要参与基因的复制、重组与修复、信号转导机制、转录调控机制等生命活动,并参与小鼠的相关肝代谢途径以及小鼠胸腺中影响 T淋巴细胞成熟的信号通路。
  根据高通量测序结果,以miR-34a作为研究对象进一步探究EGCG的体内外辐射防护分子机制。在本文中,CCK8活力检测结果显示,经不同浓度EGCG(0、5、10、20、50、100μM)预处理24h后,AML-12细胞活力显著性上升,且在辐射2或4 Gy后培养0、12 h,相比于辐射组,其细胞活力显著性提高(p<0.05),连续培养24 h后细胞活力呈剂量依赖性上升(p<0.05)。qRT-PCR结果显示,与对照组相比,电离辐射引发 AML-12细胞中 miR-34a表达量显著性上调(0.0010.05)。
  本论文主要利用高通量测序技术筛选电离辐射引发的差异表达的miRNA,并以miR-34a作为研究对象初步探究EGCG的辐射防护分子机制,结果说明电离辐射能够影响小鼠体内miRNA的差异表达,且小鼠胸腺中差异表达的miRNA更多;机体可通过miRNA调控靶基因参与多种复杂的生物学网络从而进行自我修复与防护;EGCG可促进 AML-12细胞增殖,且有效提高其辐射后的细胞活力,并且可能通过抑制miR-34a促进Sirt1表达量从而减少辐射引发的细胞凋亡,保护机体免受电离辐射损伤。
[硕士论文] 阴悦
生物物理学 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:自从上世纪80年代中后期中科院等离子体所余增亮先生提出离子束生物学效应以来,国内外多家机构采用不同的植物和微生物作为研究材料,进行多种离子注入的生物效应和作用机理的研究已取得很大的进展。学者们发现了诸多诱变效应,包括表观性状、生化指标、细胞形态以及分子效应等,以此创造了较大的经济和社会效益。近年来,重离子以其独特的物理核生物学特性而成为了一种备受关注的新型辐射诱变源,由最初的在临床医学应用扩展至在诱变育种中的应用,均收获了不小的成果。
  伴随着高通量测序技术的快速发展,一种新的方法——RNA-seq技术被广泛应用于生命科学研究,它可以非常有效的定性和定量化分析转录组,因此被广泛应用于基因表达调控领域的研究。通过RNA-seq,可以对材料的基因表达情况进行详细的分析,并且对不同材料间的差异表达情况进行较为详细的展示。
  本文利用 N+低能离子束与12C6+重离子束为辐照离子对新稻18以及哥伦比亚型(Col)拟南芥种子进行辐照处理,通过对辐照后种子培养的幼苗进行表型统计分析来筛选材料进一步实验。通过表型统计分析,发现使用 N+辐照材料表型较为混乱,而12C6+辐照结果较为稳定,因此选用12C6+为辐照离子进行深入研究。使用初始能量为80MeV/U,辐照剂量分别为50Gy、75Gy、100Gy、150Gy、200Gy的12C6+离子束辐照拟南芥(Col)种子,通过10天的培养,将所有待测序材料根据表型分析归为生长抑制型YZ(Z75、Z100S、Z150、Z200)和非生长抑制型CJ(Z50、Z100H)进行转录组测序和分析。使用Illumina Hiseq4000平台对6个辐照型(100Gy分两组)和一个野生型对照共7组材料进行测序,每组材料设立3个生物学重复,共计21个样品,每个样品平均产出2.12Gb数据。通过测序数据与参考基因组的比对分析,得到各组材料的基因表达量,再利用其表达量计算基因表达差异情况,可知有39个转录本在YZ各组中表达量均发生了变化,这些转录本经功能注释发现其功能广布于各种生物学途径和基因家族,如光合作用、抵抗逆境胁迫以及转录因子等等;而在 CJ各组中共有54个转录本表达量发生变化,其功能注释后的结果除了来自各种生物学途径与基因家族外,还参与了抗逆和转录因子以及代谢相关酶的合成。利用荧光实时定量技术对选取的部分差异表达基因进行验证,验证所选基因差异表达(上调或下调)情况,发现所选基因表达情况均与测序结果相符。最后,通过对100S与100H的部分表型与差异表达基因分析,发现其表达量与对照相比有显著变化的基因大多为代谢和响应外界刺激相关,推测其表型差异的成因为代谢水平的变化引起,其具体的形成机制还有待进一步研究。
  当前离子束辐照在生物学领域的研究主要包含两点,一是离子束辐照的应用,二是离子束诱变机制的探索。其应用主要有诱变育种以及离子束介导转基因等,目前已广泛被众多研究者所认可;离子束诱变机制作为一个研究难点一直以来受到了各路研究者的重视,但至今尚未给出合理的解释。目前离子束诱变机制的研究主要是从表型、细胞水平以及生理生化水平来开展工作,对分子水平的研究相对较少。本文利用离子束对植物材料进行辐照处理,通过表型筛选、转录组测序,发现离子束辐照后拟南芥表型及基因表达发生变化;利用生物信息技术对测序数据进行分析,筛选出差异表达相关基因并利用分子生物学方法进行验证,对认识离子束诱变机理具有理论意义,在下一步实验工作中具有指导意义,对进一步研究离子束诱变机制提出了一种研究方向与可能。
[博士论文] 黎青青
生物物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:长期以来,人们一直认为辐射的损伤效应仅仅存在于被辐照的细胞,而随着辐射旁效应的发现,在非辐照细胞出现与照射细胞类似的生物学效应,对传统的辐射致癌危险性的线性模型以及辐射防护措施提出新的挑战。辐射旁效应成为目前国际上辐射生物学研究领域的热点之一,涉及到辐射损伤信号的产生、传导和响应,以及信号的级联放大过程。目前,尽管辐射旁效应的现象已经被明确,但是对于辐射损伤信号在不同组织中传递的差异还不清楚。相关的信号转导途径是如何参与到辐射旁效应的过程中的,也还没有被阐明。因此,发展新的辐射技术,将研究体系从离体细胞转移到活体水平,在更为精确的条件下分析和研究低剂量辐射的生物学反应,解析其重要的生物学机制,对于辐射防护和肿瘤治疗具有重要意义。本研究基于中国科学院离子束生物学重点实验室的单粒子微束装置和模式生物秀丽隐杆线虫,定点辐射线虫的消化器官后食道球中心和生殖器官阴门部位,研究了辐射旁效应信号在生殖系统内部传递和从消化系统向生殖系统传递的区别,并探索其内在的分子机制。本论文的主要研究结果如下:
  1.通过CAS-LIBB单粒子微束装置以3.2 MeV的质子对线虫的咽部后食道球中心和阴门部位进行定点定量辐照,结果表明,系统内和系统间的辐射都可以导致辐射旁效应,与辐射食道球的结果相比,对线虫的阴门部位进行定点辐射时,生殖腺细胞凋亡数目更加显著,说明辐射旁效应信号更容易在生殖系统内部传递。不同的组织对辐射表现出不同的敏感性,因此导致了辐射诱导旁效应的差别。并且辐射损伤信号在生殖系统内部转导会引发更严重的遗传损伤效应,导致线虫生殖腺细胞的基因组不稳定性。
  2.通过对HUS-1∷GFP荧光报告品系的应用,我们观察到定点辐射咽部和阴门部位后,旁区生殖细胞中荧光聚点的产生,直接证明了活体水平辐射旁效应导致的DNA损伤的发生。与此同时,对荧光聚点数量的统计显示了两种类型的辐射旁效应导致的损伤程度的区别,即生殖系统内部的辐射旁效应比从消化系统到生殖系统这种系统间的辐射旁效应导致的损伤要更加严重,这与其他的生物学检测终点所反映的结论也是一致的。线虫单基因突变品系hus-1(op241)、cep-1(w40)、egl-1(n487)、ced-4(n1162)、ced-3(n717)的使用和全身性RNA干扰mrt-2、hus-1、cep-1、ced-4这四个基因,证明DDR途径对于辐射诱导的旁区生殖腺细胞凋亡来说是必不可少的。
  3.为了进一步确定DDR途径的空间功能,我们利用rrf-1和ppw-1线虫突变品系对DDR途径的关键基因进行组织特异性RNA干扰。结果表明,mrt-2/hus-1/cep-1/ced-4主要在辐射旁效应的响应阶段起作用。与系统内辐射损伤信号转导不需要体细胞内的DDR成分相比,在辐射损伤信号从后食道球向生殖细胞传递时,体细胞组织中的DNA损伤检查点MRT-2和HUS-1对系统间辐射导致的生殖细胞凋亡起到部分作用。但总体来看,DDR途径主要还是在辐射旁效应的响应阶段起作用的。
  4.为了研究辐射后线虫全身的ROS表达水平,我们使用了GFP标记的线粒体锰超氧化物歧化酶SOD-3表达和线粒体的解折叠蛋白反应的两个荧光报告品系CF1553和SJ4100,以及分子探针H2DCF-DA。结果显示两个位点的辐射都能导致线虫全身性ROS水平的上升,辐射位点的咽部和阴门部位可以观察到局部ROS增强,而通过自由基猝灭剂DMSO处理,可以恢复旁区生殖细胞的凋亡水平,表明氧化损伤在辐射旁效应的转导中起关键作用。
  5.初步证明了该过程涉及神经酰胺的参与以及神经酰胺与DDR通路的关联。神经酰胺合酶功能的缺失能有效抑制辐射旁效应诱导的生殖细胞凋亡,因为无论是lagr-1(gk327)和hyl-1(ok976)基因单突变,还是lagr-1(gk327);hyl-1(ok976)基因双突变品系,线虫的生殖腺细胞凋亡都被明显抑制,而sphk-1(0k1097)基因突变品系并没有导致生殖腺细胞凋亡发生明显的变化,表明神经酰胺生物合成通路参与了线虫辐射诱导旁效应的诱导。在对神经酰胺代谢合酶基因功能缺失后egl-1/ced-13基因mRNA水平表达量的变化进行探究,结果表明神经酰胺和CEP-1可能平行地对辐射诱导的生殖腺细胞凋亡起协同作用。
[硕士论文] 周丹
生物物理学 北京协和医学院;中国医学科学院;清华大学医学部;北京协和医学院中国医学科学院 2017(学位年度)
摘要:氨基酸、核苷及脂类等代谢物是构成生物体的重要成分,其共同参与了细胞的代谢调节、信号传导和免疫预防等多种生物学过程,能够有效反映细胞的功能状态。原位分析组织中多种代谢物水平的变化对研究生物体生理和病理状态具有重要指导意义,但是由于脂质等代谢物种类多样、结构复杂并且易受到周围复杂生物基质干扰,该项研究仍面临着巨大的技术挑战。近年来,质谱成像作为一种原位且无需标记的分析技术正飞速发展,该技术可同时分析组织表面多种化合物的空间分布,且无需复杂的样本制备过程。基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption/ionization,MALDI)作为一种真空条件下高灵敏度的离子化方法,目前在质谱成像中应用最为广泛。该技术检测时需使用基质辅助激光解吸附并离子化组织表面化合物,但采用传统基质时会产生大量基质离子和/或加合离子峰,影响m/z100~1000范围内代谢物的检测。因此,为减少基质抑制效应并提高对生物组织中代谢物检测的灵敏度,我们建立了如下方法:
  1.以氧化石墨烯为基质的生物组织代谢物质谱成像研究
  氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种只有单原予层厚度的二维纳米材料,具有优良的物理、化学、光学和机械性能。本研究采用GO作为基质,在负离子模式下对小鼠脑组织切片表面的代谢物进行MALDI质谱成像分析。该方法实现了对组织中212个化合物的有效检测和成像分析,包括190个脂质分子和22个小分子代谢物,其中对69个脂质分子在组织原位进行了二级质谱结构鉴定。相比于传统有机化合物基质9-氨基吖啶(9-aminoacridine,9AA)和N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐(N-(1-naphthyl)ethylenediamine dihydrochloride,NEDC),GO基质对多种代谢物的检测灵敏度更高,且无基质峰干扰,小鼠脑组织中检测到代谢物的数量更多而且成像效果更好。此外,该方法被用于乳腺癌移植瘤样本的质谱成像分析,结果发现多种脂类和核苷等小分子代谢物的水平在肿瘤组织内部呈现差异性变化,揭示了肿瘤异质性。
  2.常压敞开式质谱成像研究胃癌组织中代谢物的分布
  常压敞开式离子化技术近年来不断发展,相比于传统的MALDI技术,该方法样本前处理简单、无需喷涂基质、并且可在大气压条件下实现对组织的快速原位分析。本课题组前期建立了一种基于液体萃取电超声离子化(liquid extraction electrosonic spray ionization,LEESSI)技术的新型常压离子源,该技术结合高分辨的傅里叶变换离子回旋共振质谱(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer,FTICR MS)可实现对生物组织的高质量分辨率和高空间分辨率的快速质谱成像分析。本研究中,我们采用LEESSI质谱成像技术结合多元统计分析胃癌组织中代谢物的分布及变化情况。
  结果发现多种代谢物分子水平在胃癌组织和癌旁正常组织出现差异性变化,其中脂肪酸(FA(18∶1)、FA(18∶2)、FA(20∶4))、磷脂酰甘油(PG(16∶0/18∶1)、PG(16∶0/20∶3)、PG(16∶0/20∶4))、脂肪酸酯(PAHSA、OAHSA、POHSA)及磷脂酰肌醇(PI(16∶0/18∶1)、PI(18∶1/18∶1))在癌组织中显著上调,而肌苷和磷脂酰乙醇胺PE(20∶1/22∶6)则在癌旁正常组织中上调。该结果说明组织中脂类及肌苷等小分子代谢物的水平与肿瘤的发生发展密切相关,并且该常压离子源是研究肿瘤组织中代谢物变化的有力手段。
[硕士论文] 王浩然
高电压与绝缘技术 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:食品灭菌技术一直是各项食品处理技术之中的重点,传统的食品灭菌技术可分为热力灭菌技术与非热力灭菌技术两类,其中热力杀菌技术应用最为广泛。但是热力灭菌技术往往会造成食品中营养物质的损失,并且会影响食品原有的风味。高压脉冲电场灭菌技术凭借其灭菌效果好,速度快,能最大限度上保留食品的原有风味等特点得到了广泛的重视,成为最受追捧的非热力杀菌技术。国内外学者对这项杀菌技术进行了大量的研究,但是此种技术仍只能停留于实验阶段,并没有被广泛的应用于工业化生产中。因此研究一套适合工业化生产的高压脉冲灭菌装置,使这项技术尽快的应用到生产中是十分有意义的。高压电场灭菌设备主要面临如下几点问题,首先,目前的高压脉冲灭菌设备的电源大多价格昂贵,输出电压波形不佳很难满足工业化灭菌需求。其次,当前设计的灭菌处理室大多存在结构上的问题,处理室在内部电场分布或处理量上不能满足工业,商业化的需求。
  本研究主要内容包括:⑴阐述了高压脉冲灭菌技术在国内外的发展现状,对高压电场灭菌的机理进行了详细的阐述并对影响电场灭菌的关键因素进行了总结,并分析了限制高压脉冲灭菌技术工业化的主要原因。⑵通过Comsol软件对国内外主流电场灭菌处理室的内部电场进行了分析,并结合实验室多年的研究成果,设计了一种适合工业生产的实用化灭菌处理室,通过对其内部电场以及处理量的分析证明了新型处理室完全能够满足工业化应用需求。⑶对当今的高压脉冲电源进行分类分析,对传统的Marx型脉冲电源进行改进,设计一套使用IGBT作为高压开关的,适用于高压脉冲灭菌的高压脉冲电源。利用Orcad对新型电源的电路特点和各项参数进行了详细的仿真分析,根据分析结果完成了对电源中各元件的选择与制作,最后完成高压脉冲电源的脉冲形成回路搭建。⑷利用现代控制技术以及PLC技术,对整套设备进行整合,实现其自动化控制,使此设备能够满足工业化生产的需要。
[硕士论文] 李军辉
高电压与绝缘技术 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:脉冲电场灭菌技术目前已经被广泛的研究,因为脉冲电场灭菌技术不仅有良好的灭菌效果,而且极大的保护了液体食品中的营养物质,维持了液体食品原有的风味,同时灭菌过程中所消耗的能量也很小。但是脉冲电场灭菌技术并没有被大规模的推广。脉冲电场灭菌过程中,施加在处理室上的电压较高,处于其中的液体食品会在该电压的作用下被击穿,对灭菌设备造成极大的损害,同时污染了液体食品。液体食品的击穿问题制约了脉冲电场灭菌技术的发展。研究液体食品在脉冲电场作用下的击穿特性,掌握液体食品的击穿机理,是突破这一瓶颈最优途径。本文搭建了实验研究的平台,并在此平台上完成了击穿实验和观察实验。
  本文首先研究了不同液体食品、电压作用时间、流速、压强、电场不均匀程度以及脱气对于击穿场强的影响特性,实验结果表明:击穿场强与液体食品的电导率基本无关,脱气后击穿场强有微弱的提高,随着液体食品流速的提高击穿场强稍有升高,随压强增加击穿场强提高幅度较大,同时在不同压强下,各液体食品的击穿场强大小规律发生变化,液体食品击穿场强随电压作用时间减少而明显提高,击穿场强随电场不均匀程度提高而显著降低。其次本文光学仪器,观察了针板电极处理室内自来水的气泡行为和自来水及啤酒的击穿过程,气泡行为观察实验结果表明:处理室在击穿前就已经有气泡存在,针尖附近的自来水在较高电场作用下会产生气团,并向板电极移动。自来水被击穿后针板电极之间有大气泡出现,在放电结束后大气泡会分解为气团。击穿过程观察实验结果表明:处理室内液体食品在出现贯穿两电极之间的放电(击穿)前,液体食品中有大量的微小的局部放电光斑,这些放电光斑应该是液体食品中原来存在的微气泡内出现了局部击穿现象,随着时间的推进和电压的升高,局部击穿的微气泡数量有明显增多的趋势,微气泡内局部击穿也有逐渐增强的趋势。正是这些微气泡的局部击穿和积累,最终造成了液体食品出现贯穿两电极之间的电弧性放电(击穿)。通过击穿实验和观察实验可得出:液体食品中气泡行为是使击穿场强发生变化的根本原因,各因素通过影响气泡行为,进而改变液体食品的击穿场强。电场不均匀程度对击穿场强影响作用最强,其次是电压作用时间和压强,流速和是否经脱气处理对击穿场强影响较小。因此,为解决脉冲电场灭菌技术中处理室击穿问题,要着重考虑电场不均匀程度、压强以及电压作用时间这三个方面的作用。
[硕士论文] 韩璐
生物物理学 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:本研究通过实践十号空间飞行搭载及地面模拟碳离子辐射对水稻种子进行处理,从表型、光合作用效能、抗氧化水平、功能蛋白表达水平进行比较分析,多层面研究空间碳离子辐射与空间飞行所引起的生物学效应的异同,进一步筛选辐射敏感蛋白标志物分子。分析结果发现“实践十号”空间飞行和地面重离子辐射(传能线密度30KeV/μm)对水稻的影响存在区别,主要体现在:空间飞行能够促进水稻的生长和光合效能,而0.2Gy和2Gy剂量的碳离子模拟辐射却产生了抑制效应。空间飞行和2Gy的高剂量碳离子辐射能够引起水稻细胞内的活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)氧化损伤,ROS清除系统中的酶活力和相关蛋白的表达水平都明显增强,而0.2Gy低剂量的碳离子辐射却没有引起明显的氧化损伤。参与水稻光合作用电子传递链过程中的关键蛋白如细胞色素Cb6f蛋白复合体、光系统Ⅱ中心蛋白对空间辐射或重离子辐射敏感。结果进一步说明,空间飞行引起了较大范围的功能蛋白的应答,空间飞行打破了水稻细胞的稳态平衡,通过降低蛋白的合成以及淀粉能量储存等基础代谢进而适应这种长期的ROS产生的氧化胁迫,并且空间的微重力也参与到了对细胞壁的调节过程中,是一种复合的效应。高低剂量的模拟辐射并没有引起较大范围功能蛋白的应答,主要集中在光合作用水平,高剂量的辐射才能特异引起与空间辐射类似的抗ROS氧化胁迫和蛋白合成水平的变化。
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