导师介绍

 

 

 

白玉罡 教授/博士生导师

2005.9-2009.6 南京大学化学系,本科
2009.8-2010.12 美国伊利诺伊大学(香槟校区)材料科学与工程系 (导师:Jianjun Cheng)
2011.1-2015.5 美国伊利诺伊大学(香槟校区)化学系 (导师:Steven C. Zimmerman)
2015.6-2017.8 美国伊利诺伊大学(香槟校区)化学系,博士后 (导师:Steven C. Zimmerman)
2017.9 入职湖南大学化学生物学与纳米医学研究所、湖南大学化学系
2017.12 加入湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室

 

近六年来,白玉罡博士依托Zimmerman研究课题组的大方向与已有研究基础,开创了多个新的研究方向,在高分子化学、材料化学和化学生物学的交叉领域取得了一系列的科研成果:

(1)首创了水溶性单分子有机纳米粒子的合成方法。该方法采用开环易位聚合(ROMP)和分子内交联联用的方式,借助活性聚合方法的优势,方便高效地合成均一度高、高水溶性、大小可控、表面集团可调的有机纳米粒子。由于Grubbs催化剂的高官能团兼容性,本方法可以通过使用功能化单体或者后功能化的方式在纳米粒子表面引入不同的官能团。通过调控表面官能团的数量和种类,可以控制纳米粒子进入细胞的效率。该效率与官能团的疏水性有关,并且可以直接通过使用不同的单体来进行调控,可已知单体疏水性的前提下,通过简单的数学计算预知将要合成的纳米材料进入细胞的效率。

(2)设计了一个用有机纳米粒子作为模板合成金属纳米粒子的方法。单分子有机纳米粒子密度低,含有大量的酰胺和羟基,可以对多种重金属离子产生弱配位作用,吸引金属离子,实现在有机纳米粒子表面的金属还原,达到“模板式”合成的效果。通过模板合成的方式,金属纳米粒子合成中的经验性成分被大幅降低,并可通过使用官能化有机纳米粒子作为模板直接合成带有单条功能DNA的金纳米粒子。由于传统上带有单条DNA链的金属纳米粒子合成和分离较为繁琐,此模板方法在直观程度与产物分离难度上均有长足进步。

(3)首次通过结合已知小分子配体和用于基因传递的高分子设计了基于人工多肽的多齿配体。该多肽在溶液中呈阿尔法螺旋状态,可将小分子配体暴露在多肽表面,形成一个多齿配体。该多齿配体的选择性与结合力均获得很大提升,实现与(CUG)n RNA和(CTG)n DNA更好的识别与结合,从而达到以多目标方式在细胞层面上抑制萎缩性肌强直I型(Myotonic dystrophy type I)症状的目的。在基于HeLa细胞的模型细胞实验中,该多肽配体可以大大降低细胞内CUG-MBNL聚集体(foci)的含量,逆转错误的mRNA剪切方式,并且通过选择性抑制合成和选择性降解RNA的方式大大降低细胞内(CUG)n RNA的含量。该多齿配体在基于果蝇幼虫的动物实验上也显示了优异的效果。

(4)首次通过直接聚合小分子配体的方法合成了可识别与结合(CUG)n RNA和(CTG)n DNA的多齿配体。传统多齿配体往往依赖于额外的高分子骨架,每一个“齿”都安装在骨架之上。白玉罡博士设计的新型多齿配体采用更加简单的方法,基于小分子配体与核酸的结合方式,将配体之间直接连接起来,不再需要额外的高分子骨架作为支撑。这种设计有效降低了多齿配体的分子量,提高了多齿配体上的配体密度,并实现了每个“齿”之间的距离可控。由于多齿效应的影响,该多齿配体对目标核酸的选择性与结合力均获得很大提升,实现与细胞内(CUG)n RNA和(CTG)n DNA更好的识别与结合,从而达到以多目标方式在细胞层面上抑制萎缩性肌强直I型(Myotonic dystrophy type I)症状的目的。在基于HeLa细胞和病人细胞的模型细胞实验中,该多肽配体均可以大大降低细胞内CUG-MBNL聚集体(foci)的含量。HeLa模型细胞中错误的mRNA剪切方式可以被该多齿配体逆转至正常状态,细胞内(CUG)n RNA的含量也大量降低。该多齿配体在基于果蝇幼虫和成年果蝇的动物实验上均显示了优异的效果,幼虫的蠕动能力和成虫的爬行能力得到了很大的提升。

(5)设计并合成了基于单分子有机-金属纳米粒子的“Click”催化剂,可极高效催化末端炔烃与叠氮基团之间的[3+2]环加成反应。该催化剂包含一个带正电荷的外壳和带有疏水链的内部结构,由含有氨基酸侧链的直链大分子被Cu2+分子内交联产生。催化可在有机合成规模下进行(40摄氏度),纳米粒子可在低至<5 ppm的极低含量下催化叠氮化合物和末端炔基化合物之间的环加成,达到完全反应,只需要水作为溶剂而无需任何有机溶剂。该催化反应也可以在细胞内或者细菌内进行,细胞或细菌摄取催化剂粒子后,环加成反应可在胞内发生,生成具有荧光或生物活性的分子。在大肠杆菌实验中,催化剂成功的在菌内合成了一个小分子双脒抗菌药物,杀死了目标细菌。细胞内的有机合成反应在化学生物学、药学和医学方面均有巨大的潜力,该催化剂结构也有望被应用于其他金属,从而催化更多种类的反应。该工作一经发表即被F1000Prime关注并推荐。

近年来,白玉罡博士的科研成果受到了国内外同行的关注和重视,2011年至今,多项研究成果以论文形式发表在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Sci. Chem. Commun.等国际核心或知名期刊上。一系列关于多齿核酸配体的研究给萎缩性肌强直I型以及其他由重复核酸序列导致的基因疾病的治疗提出了前瞻性思路,具有深厚科学意义。基于单分子有机纳米粒子的一系列研究将这类材料从理论层面(只溶于有机溶剂,合成条件较苛刻,无法搭载多种功能性结构)拓展到了应用层面(可溶于水,易于合成,大小与功能基团可控),其在胞内催化领域的进展更是在该领域迈出了重要的一步。