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F0F1-ATPase是广泛存在于生物体内负责能量转化的酶，也是能量转换效率最高的蛋白质分子旋转马达。虽然对F0F1-ATPase的研究早已在世界范围内引起关注，但是由于它作为纳米尺度的多亚基复合膜蛋白有着复杂的运转方式，其全酶运转机制及多个亚基的功能还不确定，将这个生命活动中非常重要的分子马达应用到科学研究和日常生活更是刚刚起步。本文的一个工作通过在定子β和α亚基外接不同质量的分子，观察F0F1-ATPase活性的变化并探查内在机制。另一个工作是利用七个亚基δ-free F0F1-ATPase的光驱动F1部分旋转特性设计生物分子器件，开发分子马达在溶栓、包药等方面的应用前景。
具体研究内容如下：
1.F0F1-ATPase合酶的定子调控研究很多研究通过在F0F1-ATPase某个转子亚基(如γ亚基)连接负载改变了分子马达的旋转速率，而有关定子部分在旋转马达工作机制中的作用却很少被报道。而我们将一系列抗体抗原连接到定子β亚基上的非活性位点上，依靠其物理作用影响马达的运转，发现F0F1-ATPase合成和水解ATP的活性都会随负载的分子量有相应的变化：在一定范围内连接上的分子量越大，酶的活性越低;而当连接上分子量很大的H9禽流感病毒等后，酶的活性反而增加甚至超过了天然的F0F1-ATPase。类似的变化趋势在这些分子连接到α亚基时也存在，可见对F0F1-ATPase酶活的定子调控不仅局限于β亚基。为了探查其内在机理，我们用具有ESR信号的ATP类似物SL-ATP与不同负载状态的F0F1-ATPase结合，结合物ESR信号强度表明随β亚基上连接的分子数增多，酶的底物结合能力增强，推测可能是F0F1-ATPase连接H9病毒后激活的一个原因。以上研究结果将本实验室构建的高灵敏生物传感器适用范围从H9禽流感病毒拓展到多种抗体抗原的检测，检测等大分子时有很好的信噪比。
2.基于光驱动旋转δ-free F0F1-ATPase的生物分子器件设计传统δ-free F0F1-ATPase体系是用R.rubrum中得到的F0F1-ATPase经过F1部分的亚基解离后与嗜热菌中纯化的β亚基、ε亚基等重组得到缺失δ亚基的F0F1-ATPase。文献报道ATP水解活性最高可恢复到八个亚基全酶的195％，而本实验室以前只能将其活性恢复到70％。为了提高重组δ-free F0F1-ATPase的活性，我们采用从日本茨城大学引入的一种耐热光合菌Tch.Tepidum代替R.rubrum进行重组后，得到的δ-free F0F1-ATPase不仅同样具有光驱动旋转特性，而且ATP水解活性比传统方法重组结果又提高了近一倍，达到重组前Tch.Tepidum完整F0F1-ATPase活性的297％。这个优化的δ-free F0F1-ATPase重组体系不仅对下面应用其作为分子器件的工作有很大的帮助，相信也会为其他δ-free F0F1-ATPase的研究者提供一些有价值的信息。
目前治疗心脑血管栓塞的主要手段仍是药物溶解，而高浓度药物有造成血管出血的危险性。我们第一个工作就是为了解决低药水平溶栓效率低下的问题，直接利用δ-free作为“纳米搅拌器”促进药物蚓激酶溶解血栓。当有光照后的旋转马达δ-free F0F1-ATPase参与溶栓时，同样时间内血栓被蚓激酶溶解的程度要远远超过没有启动δ-free F0F1-ATPase旋转时的溶解量，在体外模型中实现了低药水平下的高效溶栓。该实验已经进一步在小鼠体内得到了类似的结果，有望作为一个安全高效的药物辅助纳米分子器件，能使药物在被代谢之前有更好的治疗效果。
第二个工作以血影膜作为载体，利用δ-free F0F1-ATPase的光驱动旋转功能开发它们共同构成生物分子器件的潜力。首先我们依靠血影膜翻膜(Inside-Out)技术成功地将连接在血影膜外表面的δ-free F0F1-ATPase包裹在一个安全封闭的细胞内环境并实现其光驱动旋转功能。经光照启动分子马达旋转，多个δ-free F0F1-ATPase的旋转转化为单个血影膜表面的往复胀缩运动。这种运动方式的转换将为利用旋转马达的能量提供了新的启示。而在实验初期我们还得到了另一个有意义的发现：大量的单个血影膜通过连接在它表面的δ-free F0F1-ATPase的相互作用，自组装形成了一个稳定有序的馅饼状结构，可以用Confocal逐层扫描得到其三维结构。如果加以一定时间光照后，这个结构会由于光驱动的分子马达旋转而解聚分散。我们希望用这个两种生物材料自组装的复合物包裹住某些药物进入体内，就可以通过光照在体外控制药物的定时定位释放过程。