单分子生物物理学是一门旨在从微观尺度探测与分析单个生物分子物理性质(静态结构特征或者动态转换路径)的学科。深入细致地解读单个生物分子所具有的物理特征与行为,可以科学与微妙地展示出生命科学中的诸多奥秘。而一维硅纳米线材料以其良好的尺寸匹配性与生物相容性广泛地应用于生物领域的各个方面。因此,本论文基于硅纳米线单分子器件平台从单个生物分子尺度上研究了蛋白分子的本征构象转换动力学行为。目前的研究工作如下:(1)利用具有超高灵敏度和时空分辨率的硅基生物传感器,记录了单个光合系统Ⅰ-光捕获复合体Ⅰ(PSI-LHCI)对各种应力条件(温度、光照和电场的梯度变化)的实时响应行为。在温度变化的条件下,PSI-LHCI复合蛋白的生理响应存在一个与固有热振动行为相关的双态切换过程。当光照和偏置电压发生变化时,观察到了两个附加的肩态,这可能是由蛋白的自我构象调整功能而诱导的。因此,依靠对单个PSI-LHCI超复合物寻找更多蛋白在不同应力条件下的实时动态监测,成功证明了该纳米技术在蛋白质结构分析和光合作用功能机制解析方面的应用前景。(2)利用基于硅基生物传感器,直接监测了光合LH1-RC复合物在生理条件下的构象变化。结果表明,LH1-RC复合物的结构转换发生在四种构象之间,具有较强的温度依赖性。在最适温度(55℃)下,状态2和状态3占据了 LH1-RC复合物的主要构象,其构象转换过程大多表现为非简谐振动模式,这更有助于蛋白对光子的获取和热传输。同时,也观察到了光激发对结构转换占比的影响,这可能是由光驱动色素分子的振动而造成的。这些结果证实了该技术在体外揭示各种生物分子本征生理功能机制方面的可靠性。(3)基于超高时间分辨率的硅基生物传感器,原位检测了单个PNPase降解酶蛋白在发挥催化降解功能时的生理动态行为。这项技术能够以单碱基分辨率实现对PNPase蛋白降解RNA底物分子过程的实时监测,完整的降解过程包括三个阶段:与RNA底物分子的结合、单核苷酸的水解和单碱基的移动。同时,还发现了酶(在活性位点附近)与核苷的结合事件,进一步解读了 RNA降解的关键机制。依靠对独立读长信息的系统分析,在人工设计RNA分子序列中,可以达到大约80%准确率核苷信息鉴定结果,而在细胞RNA分子中可以达到79%准确率。因此,这些结果验证了该技术在实现单分子测序方面的潜力价值,为实现高通量实时信息读取提供了全新的Immune evolutionary algorithm技术参考。(4)利用高增益的硅基生物传感器,成功地实现了对单个M-KF聚合酶酶促反应过程的实时检测,发现了 M-KF聚合酶在催化DNA聚合过程中的双稳态转换过程,分别对应于M-KF聚合酶在低导电态下的闭合构象与高导电态下的开向构象。最后,通过对不同模板链的对照测试,发现了 M-KF聚合酶在催化不同模板链聚合时的异质性反应动力学行为。研究结果发现,在闭合构象中不仅存在着聚合反应的链式增长过程,还同时存在着核苷酸分子与模板链碱基之间的氢键配位作用,且两种过程之间无相互干扰。因此,这项工作证明了硅基单分子生物传感器在揭示酶促反应机制中蛋白构象变化与结构转换路径方面的巨大潜力,为在单分子生物领域解析多种蛋白酶的催化Captisol机制提供了可靠的技术平台。