清华大学化学系刘冬生

beifaxian

刘冬生　教授，博士生导师

电话：62794081

电子邮件：liudongsheng@mail.tsinghua.edu.cn

本课题组每年招收1-2名博士后研究人员，欢迎联系。

教育背景

1988年9月-1993年7月，中国科学技术大学，本科

1999年5月-2002年5月，香港理工大学，博士

工作履历

1993年7月-1999年5月     中国科学院化学研究所，助研

2003年2月-2005年2月    英国剑桥大学化学系，博士后

2005年2月-2009年5月    中国科学院“百人计划”，国家纳米科学中心研究员、博士生导师

2009年6月——今 　　　清华大学“百人计划”，化学系教授、博士生导师

研究领域

核酸纳米结构组装与应用，包括：

一、核酸分子机器的构建与运动机制研究；

二、以核酸大分子组装为基础的智能材料设计、制备及其在生物医学领域的

　　应用研究；

三、核酸超分子结构组装的生物学功能研究。

奖励与荣誉

2007年，国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”；

2008年，第一届中国化学会～英国皇家化学会青年化学奖；

2009年，中国科学院“百人计划”结题优秀。

学术成果

1.　L. Xu and D. LiuChemical Society Reviews 2009, in press.

2. 　E. Cheng, D. Zhou*,D. Liu* et al.Angew. Chem., Int. Ed. 2009, in press.

3.　X. Hou, Y. Wang*,D.Liu*L. Jiang* et al. J. Am. Chem. Soc., 2009,131(22), 7800-7805.

4.　H. Liu and D.LiuChem. Commun., 2009,2625-2636.

5. 　S. Wang, D. Liu*L.Jiang* et al. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 3915-3917.

6. 　H. Liu, D. Liu* etal. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 2515-2517.

7.　D Liu*, Dejian Zhou*et al. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128(6): 2067-2071.

8.　D. Liu, S.Balasubramanian* Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42(46), 5734-5736.

9.　D. Liu, A. S. C.Chan*, T. Li* et al. Angew. Chem., Int. Ed.2003, 42(7), 797-799.

10.　T. Li*, D. Liu, A.S. C. Chan* et al. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123(51), 12901-12902.

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构筑“甜蜜的”纳米结构促进细胞内吞*

刘冬生**

(清华大学化学系 北京 100084)

摘要 复旦大学陈国颂教授等通过巧妙的高分子链结构设计，共价键与非共价相互作用的分级协同，精确地控制了糖功能基元在纳米粒子表面的分布，研究了糖功能基元分布对细胞内吞的影响.

关键词含糖聚合物，组装，纳米，结构调控

糖不仅是生命活动中重要的能量载体，还是人类最早利用的重要生物质材料. 近年来的研究发现，多糖及糖蛋白在生命活动中起着重要的调控作用，研究其作用机制已经成为当前化学、生命科学和医学的前沿热点课题. 我国的科学家在此领域也非常活跃：北京大学医学部叶新山和中国科学院上海有机化学研究所俞飚等致力于发展新的合成方法以合成复杂寡糖结构，北京大学化学与分子工程学院陈兴等用代谢的方法标记了细胞表面的糖元，研究其在细胞表面的分布.苏州大学陈高健等开展了糖聚合物方面研究，并用于干细胞分化的调控.

最近，复旦大学的陈国颂教授等通过己内酯和炔基取代的戊内酯进行开环共聚，制备了嵌段和无规共聚的2种聚酯主链高分子，之后再通过点击化学引入甘露糖和半乳糖作为侧基，制备了如图1所示的3种不同糖元分布的功能高分子.这些高分子侧链亲水，主链疏水，可以单独或者通过共混制备成粒径较为均一的纳米颗粒；由于甘露糖接枝功能化后聚酯主链较易结晶，而半乳糖接枝后主链更不易结晶，所以化学接枝与物理共混会使糖元在表面的分布产生不同程度的相分离. 之后的细胞相互作用研究发现：相较于单一组分的颗粒，同时具有2种糖原修饰的纳米颗粒具有更高的亲和性，混合最均匀的表面具有最好的被细胞内吞的能力；说明细胞表面的不同糖受体不仅相互关联，还分布均匀.

天然多糖种类繁多、结构复杂，因此在人工合成、表征及分离纯化等方面都非常具有挑战性.此项研究通过巧妙的高分子链结构设计，共价键与非共价相互作用的分级协同，精确地控制了功能基元在纳米粒子表面的分布，为解决生命科学中的挑战性问题提供了新思路和新方法，也为生物大分子研究开辟了新方向.

此项研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划“可控自组装”重点(项目号 91227203)以及集成项目(项目号 91527305)的持续支持.

REFERENCES

1 Wu Y, Xiong D C, Chen S C, Wang Y S, Ye X S. Nat Commun, 2017, 8: 14851

2 Yu B. Acc Chem Res, 2018, 51: 507 − 516

3 Qin W, P Lv, X Fan, Quan B, Zhu Y, Qin K, Chen Y, Wang C, Chen X. Proc Natl Acad Sci USA, 2017, 114: E6749

4 Liu Q, Yu Z L, Yu Y, Zhao Z A, Hu S, Yuan L, Chen G, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces, 2017, 9: 11518 − 11527

5 Wu L, Zhang Y, Li Z, Yang G, Kochovski Z, Chen G, Jiang M. J Am Chem Soc, 2017, 139: 14684 − 14692

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4月13日晚7:00，清华大学化学系刘冬生教授在南开大学石先楼学术报告厅为化学学院同学作了题为《框架诱导自组装》的伯苓青年讲座。化学学院郭东升教授主持讲座。

刘冬生教授先与大家分享了自己的科研经历，他博士后完成了pH响应的DNA分子机器，并首次证明了分子机器可以实现对宏观物体做功，之后完成了DNA分子机器的一系列合成与应用。有趣的是，刘冬生教授并没有一直做这个方向，把他感兴趣的问题解决后，开始转向核酸超分子水凝胶，并在这个方向取得了很大的突破。刘冬生教授首次合成了全刚性分子网络水凝胶，解决了传统水凝胶易溶胀、易塌缩、通透性差等问题，并实现了3D打印等一系列应用。虽然这些研究仅仅在本次演讲中占据很小的一部分，但这些研究同样精彩。

接下来，刘冬生教授对如何开始做自组装的经历作了介绍，他是在一次会议中作总结时提出了两个问题：同种分子，同样条件，控制任意形状和尺寸；不同分子，同样条件，同样形状和尺寸。解决问题的方法得到了细胞的启发，细胞有着各种形状，但都由磷脂分子和膜蛋白组成，原因是膜蛋白并不是孤立的，被连接到细胞骨架上，从而控制细胞的形状。刘冬生教授从而产生灵感，先建立框架，以此为基础进行自组装，从而控制自组装的形状和尺寸。此后，刘冬生教授经过五年的不懈努力，终于取得重大突破，成功实现框架诱导自组装并成功发表文章，之后又对自组装的合成，机理以及应用进行了大量研究，并成功实现了膜蛋白的辅助结构分析，同时探索诱导自组装在药物载体的应用。

最后刘冬生教授结合自身的科研经历，讲述了自己对科研的感悟，他认为科研就是做学问，也就是‘学’与‘问’。进入一个领域后，不光要学习，更应该去提问，在学与问中才能走得更远。不同于物理学家和数学家，对于化学家来说，除了提出问题，更重要的是去尝试解决问题，这才是化学家的使命。

在提问环节，同学更是踊跃发言，从各个角度提出问题。当晚石先楼报告厅座无虚席，同学们热情高涨，讲座在热烈的掌声中结束，同学们纷纷表示收益良多。

伯苓讲座是化学学院创新型化学人才培养模式探索与实践的一个重要举措。从2013年起，由国内外顶级化学家为化学伯苓班的本科生作学术报告并分享科研体会，开拓学生的学术视野，激励学生树立长远的人生目标并为之努力。

报告人简介：
刘冬生教授： 1970年生，1993年本科毕业于中国科学技术大学高分子化学专业，之后在中科院化学所从事高分子化学研究，其间攻读了在职硕士学位。1999年至2002年于香港理工大学学习，获博士学位后赴英国剑桥大学从事博士后研究。2005年2月入选中国科学院“百人计划”，加入国家纳米科学中心任研究员、博士生导师。2007年获得国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”支持。2008年获得“第一届中国化学会～英国皇家化学会青年化学奖”； 2009年6月获得清华大学“百人计划”、“基础研究青年人才支持计划”支持，加入清华大学化学系，任教授、博士生导师。2011年获邀成为英国皇家化学会会士；2014年入选创新人才推进计划中青年科技创新领军人才计划，获得第七届中国化学会巴斯夫青年知识创新奖；2015年入选教育部长江学者特聘教授；2016年入选中组部“万人计划”领军人才。近年来先后担任了基金委面上项目、重点项目负责人，科技部重大基础研究专项项目（973项目）首席科学家。应邀担任了国际知名杂志Soft Matter 和ChemBioChem顾问编委。

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报告题目：框架诱导自组装

报 告 人：刘冬生 教授  

清华大学化学系

报告地点：吉林大学无机超分子楼一楼圆形报告厅

报告时间：2018年6月8日下午14:00（星期五）

报告人简介：

刘冬生：1993年本科毕业于中国科学技术大学高分子化学专业，之后在中科院化学所从事高分子化学研究，其间攻读了在职硕士学位。1999年至2002年于香港理工大学学习，获博士学位后赴英国剑桥大学从事博士后研究。2005年2月入选中国科学院“百人计划”，加入国家纳米科学中心任研究员、博士生导师。2007年获得国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”支持。2008年获得“第一届中国化学会～英国皇家化学会青年化学奖”；2009年6月加入清华大学化学系，任教授、博士生导师。2011年获邀成为英国皇家化学会会士；2014年入选创新人才推进计划中青年科技创新领军人才计划，获得第七届中国化学会巴斯夫青年知识创新奖；2015年入选教育部长江学者特聘教授；2016年入选中组部“万人计划”领军人才。近年来先后担任了基金委面上项目、重点项目负责人，科技部重大基础研究专项项目（973项目）首席科学家。

报告摘要：

受到细胞膜结构的启发，我们提出了“框架诱导自组装” 这一普适性自组装新策略，可以在不改变参与组装的分子体系及组装条件与过程的前提下，实现不同形状、尺寸单分散的组装体的高效制备。通过改进合成方法，我们高效制备了多种DNA-疏水树状高分子嵌段共聚物，将其通过DNA的精确互补配对定位到利用DNA纳米技术编织的纳米级框架上，再进一步诱导其他两亲分子按照疏水树状高分子勾勒出的空间轮廓进行组装，从而获得形状、尺寸可设计的囊泡结构。在此基础上，利用温敏性高分子聚环氧丙烷作为定位基团，我们还实现了线型嵌段高分子的温度响应性框架诱导自组装。通过采用胆固醇（或磷脂）等天然细胞膜结构的组成部分作为诱导基团，此策略还可以实现十二烷基磺酸钠、磷脂等双亲小分子的可控定位组装。

基于框架诱导组装的原理，我们利用具有棱角的长方体框架结构去诱导两亲分子在其周围形成长方体的囊泡。我们进一步利用二维的DNA折纸作为框架，在该框架上引入了两亲性树枝状分子（DDOEG）作为诱导疏水分子勾勒出了一个二维的疏水高势能面，吸引溶液中的两亲分子在该势能面中聚集以形成二维的组装体，并可以通过改变诱导疏水分子的排布来调控组装体的形状与尺寸。

框架诱导组装研究不仅拓展了分子自组装的手段，为研究纳米组装结构的尺寸、形状效应提供方法学基础，同时还为了解自然界细胞形状的形成与调控机制提供了实验基础。

参考文献

1. Y. Dong, D. Liu*et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 1586-1589.

2. Y. Dong, Z. Yang and D. Liu* Small, 2015, 11, 3768-3771.

3. Y. Dong, D. Liu* Chem-Eur J, 2015, 21, 8018-18023.

4. Z. Zhao, Q. Fan,* D. Liu* et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 13468-13470.

5. Y. Dong, D. Liu* et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53(10), 2607-2610.

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创新研究群体项目支持优秀中青年科学家为学术带头人和研究骨干，共同围绕一个重要研究方向合作开展创新研究，培养和造就在国际科学前沿占有一席之地的研究群体。
    从统计情况上看，今年共有30家单位获得38项创新研究群体项目，总金额达到3.9亿，单个项目的直接费用资助强度为1050万元/项（其中数学和管理科学单个项目资助强度为735万元/项）。其中北京大学、清华大学、中国科学技术大学和华中科技大学获得3项，并列第一。


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B01
功能体系的超分子调控基础
刘冬生
清华大学
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