基于纳米结构光子器件的单分子生物科学

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加入世界领先的跨洲际研究团队

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埃克塞特大学和昆士兰大学正在招募优秀学生，加入一支世界领先的跨洲际研究团队。作为 QUEX 研究所的一部分，该团队致力于应对全球可持续发展和福祉方面影响世界人口的重大挑战。该联合博士项目为最有才华的博士生提供了绝佳机会，使他们能与世界一流的研究团队密切合作，并受益于两所院校合力提供的专业知识和设施，每所大学各配一名首席导师。这一享有盛誉的项目将为入选者提供全额学费、生活津贴、差旅经费和研究培训资助。 该奖学金最长可资助42个月（3.5年）。

我们为最优秀的申请者提供八个全额资助的奖学金名额，其中四个由埃克塞特大学提供，四个由昆士兰大学提供。这一精选群体将在每所大学至少学习一年，并将获得埃克塞特大学和昆士兰大学的联合学位。

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项目描述

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细胞是生命的基本构件，由纳米尺度的分子机器所调控。然而，这些机器通常太小，其运动又太快，现有显微镜无法观察。因此，我们对其工作原理的了解还只是皮毛。本项目将开创一种新方法来解决这一问题，即开发可置于细胞内部的单分子传感器。该传感器基于制作在生物相容的微型硅芯片上的纳米尺度光学腔。这将使得我们能够在分子机器自身的时间和长度尺度上，以非侵入方式在细胞内追踪分子机器及其动力学，为生物科学和生物技术产业带来一项颠覆性的新技术。

对分子动力学的深入理解是许多生物技术的基础，包括药物、化学品、软材料和人工生物材料的设计，以及针对癌症和神经退行性疾病的靶向治疗。我们的新技术将使人们能够在体内观察单分子过程和动力学，尤其是在计算机模拟失效、非侵入式实验数据稀缺的情况下，从而推动重大的新发现。本项目将为生物化学领域的重大挑战带来新的见解，包括纳米机器如何在复杂的体内环境中被设计并发挥功能、蛋白质如何在细胞内折叠，以及酶如何在拥挤的细胞环境中高效催化反应；其中酶催化对未来能源技术至关重要，而错误折叠则与许多使人衰弱的疾病相关。我们提出开发一种仪器，以特异且灵敏的方式在体内、细胞内探测单个分子和蛋白质，同时尽可能少地干扰细胞。我们的愿景是创建一种精确的体内分子探针，能够在活细胞环境中表征任意蛋白质及其动力学，这项技术超越了当前的最先进水平。实现这种体内、单细胞、单分子传感器，将带来对生命机器如何运作的全新基础性认识。这种微型光学传感器将使我们能够以全新的方式分析蛋白质，即在细胞内的生理条件下对其进行观察。我们将能够在微米大小的实验室中专门研究蛋白质。  我们的传感器平台将通过提供实验测试平台，在相关生物环境中实时观察纳米机器的运动，从而助力人工分子机器的发展。我们将利用光学纳米腔传感器来实现这一仪器。微腔传感器通过将光集中在纳米尺度（即探测单个蛋白质的位置），增强单分子检测信号。我们的目标是使纳米尺度的光场与单个蛋白质相交会，从而获取细胞内蛋白质结构及其动力学的信息，在微秒/纳秒的时间尺度和单个化学键与原子的空间尺度上解析蛋白质的运动和振动。

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本项目将借助昆士兰大学近期数百万美元投入的先进纳米光刻设施（Warwick Bowen 教授），以及埃克塞特大学对生命系统研究所（Living Systems Institute）投入的5200万英镑，单分子传感器将在该研究所应用于蛋白质和蛋白质纳米机器（Frank Vollmer 教授），在理想的跨学科环境中，物理学家、工程师和生物学家并肩工作。项目将汇集两个涵盖精密光子学、生物物理学和生物医学的世界领先实验室的专业知识，并整合三大研究计划：UKRI 资助的埃克塞特分子力学计划、澳大利亚工程量子系统卓越中心，以及澳大利亚生物工程与纳米技术研究所。

参考文献：Light: Science & Applications 第10卷，文章编号：42（2021）：用于生物传感的回音壁模式激光器综述

回音壁模式激光器生物传感综述 | Light: Science & Applications (nature.com)

 

如需了解更多信息，请联系 Frank Vollmer 教授：f.vollmer@exeter.ac.uk

 

请于5月24日前在此申请：奖学金详情 | 潜在学生资助 | 埃克塞特大学

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