生物大分子作为生命活动的基础构件,在执行遗传信息翻译、转录、蛋白质表达,胞内胞外信号传递等功能中发挥重要作用。生物大分子的力学响应与其参与的生物化学反应紧密相关,会影响其介导的分子间相互作用,细胞—分子相互作用,细胞—细胞相互作用,分子马达功能和信号转导等生命活动。生物大分子也可作为生物材料的支架在组织工程、免疫治疗、药物筛选与输运等方面得到了广泛应用。生物大分子的力学性质既会影响其参与介导的生物化学反应,又会调控其组装形成的生物材料的性质与功能,因此研究其力学性质至关重要。生物大分子如蛋白质、核酸等的力学性质由分子内弱相互作用如氢键、疏水相互作用、静电相互作用力、范德瓦尔斯力等形成的三维拓扑结构决定。此外,这些弱相互作用力的协同作用如金属配位键、苯环堆积等现象则可以显著提升弹性蛋白、金属蛋白、复杂核酸结构、膜蛋白、多肽纤维等生物大分子的力学性能。在过去的三十年中,原子力显微镜成为了一个关键平台,可以同时对生物系统进行单分子水平的形态学和力学表征。我们在复杂核酸结构、金属蛋白、膜蛋白、多肽纤维等不同生物体系中研究生物大分子的单分子力学性质,以及其中弱相互作用力以及其协同作用对生物大分子力学性质的影响,希望得到其中的一般性结论,以加深人们对生物大分子力学性质的理解,并利用这一原理理性设计具有特定力学性质的仿生材料。本论文的主要研究内容有以下几个方面:在第一章中,我们对基于原子力显微镜的单分子力谱技术及其原理作了回顾,对本文研究课题的主要原理,当前研究现状以及存在的问题做了必要的阐明和背景介绍。在第二章中,我们通过使用原子力显微镜研究了φ29噬菌体分子马达核心结构3WJ-p RNA各向异性的力学性质。枯草芽孢杆菌噬菌体φ29使用ATP驱动的分子马达把病毒的DNA包裹进冠状衣壳中。3WJ-p RNA是φ29噬菌体DNA包裹马达的核心结构,具有很强的热力学稳定性和临床应用前景。在DNA包裹过程中,3WJ对沿其衣壳门轴同轴方向螺旋的拉伸表现出较强的抵抗力,这表明其具有超强的结构稳定性。我们使用原子力显微镜,将3WJ-p RNA的不同链分别固定在针尖和基板上,通过从不同方向连接研究其力学性质的各向异性。我们发现3WJ-p RNA沿包裹DNA的门轴方向在存在镁离子的情况下具有出色的机械稳定性,可承受高达220皮牛的力,这一抵抗力甚至超过多种弹性蛋白的机械稳定性。其出色的机械稳定性主要归因于位于3WJ中两个螺旋1和螺旋3之间镁离子钳的协同作用。这一刚性使得分子马达的p RNA结构域可以承受DNA压缩引起的应力,而横向的柔韧性便于组装p RNA及其与衣壳前体的结合。此外,我们的发现也为设计各向异性生物材料提供许多新的思路。在第三章中,我们通过结合X射线晶体学和基于原子力显微镜的单分子力谱技术,第一次研究了金属蛋白Gol B中金-硫键的力学性质。来自鼠伤寒沙门氏菌的Gol B蛋白以高亲和力结合有毒金离子,同时不影响其他铜输运蛋白的功能。此外,Gol B还必须将金离子传递给P型ATP酶Gol T,后者充当金的转运蛋白。我们使用原子力显微镜直接打开Gol B蛋白中的单个金-硫键探测其机械性质,并将其机械性质与从X射线晶体衍射中获得的结构信息加以对比,以研究这一化学键的结构-性质关系。我们发现Gol B蛋白中的金-硫键的打开力约为165皮牛,其机械稳定性可与许多非共价相互作用如链霉亲和素-生物素相互作用和弹性蛋白的解折叠相媲美。我们认为这可能源于Gol B蛋白中金-硫键的分子环境,其长度比无机物中更长,也比铜金属调控蛋白Cue R中的金-硫键长度更长。此外,Cys10和Cys13与周围残基的骨架氨基基团间电荷相互作用也会影响其力学性质。我们的结果凸显了在单分子环境中蛋白质环境对金-硫键机械稳定性和动力学性质的影响。这对理解Gol B蛋白质的生物学功能非常有价值,可能也暗示了体内金属离子运输的一般原理。在第四章中,我们应用原子力显微镜技术来研究革兰氏阴性菌细胞外膜蛋白Bam A的力学性质与其折叠、插入细胞外膜的机制。Bam A是BAM复合体的核心构件,可以帮助外膜蛋白折叠、插入到细胞外膜中。我们的研究表明其力学性质取决于与其功能相关的三个因素,即POTRA结构域,膜成分环境和细胞外盖锁结构。我们发现不存在POTRA结构域会导致β桶结构域机械稳定性的降低,细胞膜成分会影响β桶的机械稳定性,密封β桶的细胞外盖与Bam Aβ桶的接缝稳定性之间存在耦合作用。这些结果为天然外膜中存在的Bam A的β桶状亚稳态结构提供了新的视角。我们还研究了Bam A的折叠和插入细胞外膜过程中的动力学特征以及分子伴侣Sur A和Skp的影响等问题。在第五章中,我们通过原子力显微镜的成像模式和材料力学的模型统计分析,首次对多肽水凝胶中的单个纤维的力学性质进行了直接测量。我们的结果表明,基于GFFY序列自组装而成的多肽水凝胶纤维显示出了杰出的抗弯刚度和杨氏模量,基于对原纤维的结构分析和分子性能表征,我们认为分子间的相互作用是此类单个原纤维的机械性能的决定性因素。此外,其拥有类似于细胞外基质中单个胶原纤维的力学性质。我们认为这样的机械性能及调控方式可能使这一多肽序列既具有很强的成胶能力,又拥有在细胞培养和组织工程中应用的前景。