研究内容
本课题组聚焦于生物医药与健康领域的核心科学问题，致力于利用固体核磁共振技术（Solid-State NMR）在原子尺度揭示生物大分子的结构与动态行为。膜蛋白、抗菌肽及蛋白质材料在疾病治疗、抗感染策略和生物医学工程中具有关键作用，但其功能机制常因难以在近生理环境下研究而未被充分解析。本课题组通过发展与应用先进的固体核磁共振方法，结合多学科交叉手段，致力于解析这些重要生物体系在原位或仿生环境中的三维结构、动态特征及分子相互作用，为药物设计、抗菌策略创新和生物材料开发提供理论基础与技术支撑。
固体核磁共振技术是本课题组研究的核心优势：它能够在不结晶、非溶液状态下直接研究蛋白质在膜环境或组装体中的构象变化，实现对复杂生物体系的高分辨、原位观测，弥补了传统结构生物学方法的局限性，尤其适用于膜蛋白、纤维化蛋白及非均相生物材料的功能机制探索。
1、研究方向一：膜蛋白结构和功能
膜蛋白是生物膜上的功能性蛋白，参与物质交换、能量转换和信号传递等关键生命过程，也是超过50%药物的作用靶点。研究其结构及分子机制对理解生命过程及其相关药物研发至关重要。而固体核磁共振（NMR）技术能在磷脂双分子层的环境中提供膜蛋白的原子分辨率的结构、动态和相互作用信息，具有独特优势。结合功能表征和分子动力学模拟，我们主要利用固体NMR研究通道蛋白（channel）、转运子（transporter）和酶等膜蛋白。
2. 研究方向二：抗菌肽结构和分子机制
耐药性会导致抗生素失效，增加感染治疗难度、传播风险及死亡率，威胁全球公共卫生安全。抗菌肽通过破坏细胞的完整性或抑制细菌细胞壁的合成来产生抑菌效果，其低耐药性和广谱抗菌性的优点使得抗菌肽成为传统抗生素的理想替代品。利用固体NMR技术对抗菌肽的结构和抗菌分子机制进行深入研究，在此基础上利用人工智能技术，设计高效、低毒的高性能抗菌肽。
3. 研究方向三：蛋白质医用材料的结构和性能
蛋白质材料因其结构可编程性、生物智能响应、生物相容性和可降解性在医疗领域有广阔的应用前景。生物世界中存在多种天然蛋白质基材料，其性能与其独特的结构相关。在利用固体NMR和冷冻电镜手段对其高分辨结构的分析的基础上，充分利用蛋白质材料在空间上的排列特性，对其结构进行合理的设计和优化，实现性能的精确调控，研发高性能、高附加值的蛋白质医用材料。
4. 研究方向四：蛋白质组装体的分子机制
揭示蛋白质通过自组装形成功能或病理超分子体系的规律，包括功能性有序组装体、与多种重大疾病密切相关的病理性淀粉样纤维聚集过程。利用固体核磁共振技术，在原子水平上解析蛋白聚集体的精细结构、动态演变过程及分子间相互作用，揭示其从可溶性单体转变为聚集体的结构基础与动力学规律，为理解相关疾病的分子病理机制及开发靶向干预策略提供关键科学依据。
5. 研究方向五：原位生物固体NMR新技术
细胞原位（in situ）固体NMR技术能够在天然膜环境中直接研究膜蛋白，具备原子级分辨率、动态分析能力和非侵入性等优势，避免了纯化重组引起的人为干扰，已成为在生理条件下研究膜蛋白结构与动态的前沿技术。我们建立细胞原位条件下同位素的选择性标记（包括19F）技术、样品制备技术、固体NMR脉冲实验技术以及膜蛋白三维结构计算方法，更高效地获取膜蛋白的结构和动态信息。
课题组成员
杨俊，童琼，常自伟，谢华勇，赵伟静，张祎瑾，李敬文，张艳
课题组成员（学生）
博士研究生：赵燕，刘文静，姚梦，李子怡，吴晓婷，林源，熊壮，罗依，郭傲，田浩翔
硕士研究生：刘硕果，罗兰，曹霖萱，邹雅静，杨诗蕾，肖子瑶，陈泽宇，任咏琪，柳叶，雷雨彤，谭熙，黄海冰，郭佳琪，李洁，龙昱彤，项杰民，周钰梦，杨忱儒，巴文杰
已毕业学生：蒙生花（硕士，2026年毕业）
代表性论文
1. Zhang, Y.; Zhao, W.; Duan, M.; Shen, Y.; Li, J.; Xie, H.; Tong, Q.; Zhao, Y.; Yang, J., Diverse regulation of functional dimerization of a sugar transporter by different interfacial lipids. Nature Communications 2026, 17 (1).
2. Xie, H.; Zhao, W.; Yang, J., Structure and Dynamics of Membrane Proteins in Native Cellular Membranes Revealed by In Situ Solid-State NMR. Accounts of Chemical Research 2026, 59 (7), 1095-1110
3. Xie, H.; Zhao, W.; Xiao, H.; Zhang, Y.; Shen, Y.; Gan, Y.; Tong, Q.; Zhao, Y.; Tan, H.; Yang, J., In Situ Structure Determination of a Membrane Protein in E. coli Cellular Membranes by Proton-Detected Solid-State NMR. Journal of the American Chemical Society 2026, 148 (9), 9433-9448
4. Meng, S.; Gao, Z.; Lin, Y.; Zhang, Y.; Xie, H.; Yang, J.; Tong, Q., Expression, purification, and reconstitution of small-conductance mechanosensitive channel into lipid bilayer: ready for solid-state NMR study. Protein Expression and Purification 2026, 240
5. Xie, H.;Gan Y.; Zhao, W.; Duan, M.; Shen Y.; Tan, H.; Zhang, Y.; Tong, Q.; Zhao, Y.; Yang, J.*, Dynamic structures of a membrane transporter in native cellular membranes. Sci. Adv. 2025, 11 (46), eadv4583
6. Chen, Z.; Wang, L.; Tan, H.; Xie, H.; Lin, Q.; Zhao, Y.; Yang, J., The Regulatory Mechanism of Water Permeation by the Selectivity Filter Arginine in Aquaporin Revealed by Solid-State NMR and Computational Analyses. J Phy. Chem. Lett. 2025, 16 (44), 11502-11509
7. Liu, W.; Zhang, C.; Zhang, H.; Ma, S.; Deng, J.; Wang, D.; Chang, Z.*; Yang, J.*, Molecular basis for curvature formation in SepF polymerization. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2024, 121 (9), e2316922121.
8. Tan, H.; Zhao, W.; Duan, M.; Zhao, Y.; Zhang, Y.*; Xie, H.; Tong, Q.; Yang, J.*, Native Cellular Membranes Facilitate Channel Activity of MscL by Enhancing Slow Collective Motions of Its Transmembrane Helices. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146 (46), 31472-31485.
9. Tan, H.; Duan, M.*; Xie, H.; Zhao, Y.; Liu, H.; Yang, M.; Liu, M.; Yang, J.*, Fast collective motions of backbone in transmembrane alpha helices are critical to water transfer of aquaporin. Sci. Adv. 2024, 10 (19), eade9520.
10. Xie, H.; Zhao, Y.; Zhao, W.; Chen, Y.; Liu, M.; Yang, J.*, Solid-state NMR structure determination of a membrane protein in E. coli cellular inner membrane. Sci. Adv. 2023, 9 (44), eadh4168.
11. Zhang, Y.; Hu, Y.; Xie, H.; Liu, M.; Yang, J.*, Ma, C.*, Structural Mechanism of Soluble N-ethylmaleimide-Sensitive Factor Attachment Protein Receptor Complex Assembly in Lipid Bilayers Revealed by Solid-State NMR. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145 (19), 10641-10650.
12. Xie, H.; Ma, S.; Zhao, Y.; Zhou, H.; Tong, Q.; Chen, Y.; Zhang, Z.; Yu, K.*; Lin, Q.*; Kai, L.; Liu, M.; Yang, J.*, Molecular Mechanisms of Mercury-Sensitive Aquaporins. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (48), 22229-22241.
13. Zhang, Y.; Gan, Y.; Zhao, W.; Zhang, X.; Zhao, Y.; Xie, H.*; Yang, J.*, Membrane Protein Structures in Native Cellular Membranes Revealed by Solid-State NMR Spectroscopy. JACS Au 2023, 3 (12), 3412-3423.
14. Ma, S.; Zhang, Y.; Zhang, X.; Xie, H.; Tong, Q.*; Yu, K.*; Yang, J.*, Dynamic Interactions Between Brilliant Green and MscL Investigated by Solid-State NMR Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulations. Chem. Eur. J. 2023, 29 (3), e202202106.
