甲藻生物发光机理的量子化学研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21673020
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Bioluminescence is a widespread phenomenon in nature, especially in the marine environment. People often observe bright light in the surface ocean. Dinoflagellate, a kind of eukaryotic protists is mainly responsible for this blue light. The dinoflagellate bioluminescence has been used to assess the pollution of heavy metals in water, and probably can be employed as a new technique in military and marine monitoring to detect the targets under water. Considering its prominence and ecological importance, dinoflagellate bioluminescence has received little attention by experimentalists. Moreover, there has not been any level of quantum chemical study. Both the bioluminescent process and mechanism are not clear. Fortunately, the molecular structure of the luciferin and the x-ray structure of a kind of lucifrase of bioluminescent dinoflagellate have been roughly confirmed, which is the base of theoretical study. This project will employ the quantum mechanics, combination of quantum mechanics and molecular mechanics and molecular dynamics to study every chemical reaction and its mechanism, the spectra and energetics of the bioluminescence process in the protein environment. The purpose is to expand and support the application of dinoflagellate bioluminescence by understanding its details, mechanism, chemical origin and effects on light emission at the molecular and electronic-state levels.
生物发光现象在自然界特别是在海洋中广泛存在。海洋表层经常在夜晚发出明亮的蓝光。这种蓝光主要由一类真核原生生物发光甲藻产生。甲藻发光已经被用来评价水体重金属污染,也有望作为水下目标探测新手段用于军事和海洋环境监测。相对于其在海洋发光中的普遍性和对海洋生态环境的重要性,对甲藻发光的实验研究很少。目前也没有任何形式的理论研究。甲藻发光的整个发光过程和机理尚不清楚。有限的实验研究大致确定了发光甲藻的荧光素分子和一种荧光素酶的结构。这为理论研究提供了基础。本项目将从发光甲藻的荧光素分子入手,在蛋白环境内,使用量子力学、组合量子力学分子力学以及分子动力学的计算手段来研究其发光过程所经历的每一步化学反应以及相应的谱学和能量学等问题,以期在分子和电子态水平阐明甲藻发光的细节、机理、化学起源和影响发光的因素,为拓展其实际应用提供理论依据和指导。

结项摘要

生物发光现象在自然界特别是在海洋中广泛存在。海洋表层经常在夜晚发出明亮的蓝光。这种蓝光主要由一类真核原生生物发光甲藻产生。甲藻发光已经被用来评价水体重金属污染,也有望用于军事和海洋环境监测。相对于其在海洋发光中的普遍性和对海洋生态环境的重要性,对甲藻发光的实验研究很少。在该项目之前没有任何形式的理论研究。该项目综合采用密度泛函理论、含时密度泛函理论、完全活化空间自洽场方法和完全活化空间二阶微扰等量子力学方法,首次研究了甲藻发光生物中的荧光素所经历的一系列反应,详细阐述了直链型和四元环型两类高能中间体的加氧形成机理,并提出在作为电子供体的第二个荧光素分子的参与下,直链型高能中间体发生过氧键解离可通过化学诱导电子交换发光机理生成激发态的荧光素分子作为发光体发光。项目在分子和电子态水平阐明了甲藻发光的细节、机理、化学起源,为拓展其实际应用提供理论依据和指导。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Theoretical study on bioluminescent mechanism and process of Siberian luminous earthworm Fridericia heliota
西伯利亚夜光蚯蚓生物发光机制及过程的理论研究
  • DOI:
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  • 影响因子:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Gao, Meng;Liu, Ya-Jun
  • 通讯作者:
    Liu, Ya-Jun
Theoretical Insight into the Emission Properties of the Luciferin and Oxyluciferin of Latia
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  • DOI:
    10.1111/php.12876
  • 发表时间:
    2018-05-01
  • 期刊:
    PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Yu,Mohan;Ohmiya,Yoshihiro;Liu,Ya-Jun
  • 通讯作者:
    Liu,Ya-Jun
Theoretical Study of Dinoflagellate Bioluminescence
甲藻生物发光的理论研究
  • DOI:
    10.1111/php.12657
  • 发表时间:
    2017-03
  • 期刊:
    PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Wang Ming-Yu;Liu Ya-Jun
  • 通讯作者:
    Liu Ya-Jun
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-02-04
  • 期刊:
    CHEMPHYSCHEM
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Luo, Yanling;Liu, Ya-Jun
  • 通讯作者:
    Liu, Ya-Jun

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  • 通讯作者:
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近红外二区生物发光活体成像系统的理论设计
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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