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“钻石钥匙”开启单分子磁共振研究之门——中国科大首次在室温大气环境下探测到单个蛋白质分子磁共振谱
2015-11-26 10:20:04 来源: 作者: 【 】 浏览:819

中国科学技术大学杜江峰教授领衔的研究团队将量子技术应用于单个蛋白分子研究,在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该成果3月6日发表在《科学》上[Science 347, 1135 (2015)]。同期《科学》“展望”栏目专文报道评价“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。 

 

该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子,并且“室温大气”这一宽松的实验环境为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必要条件,使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。该技术有望帮助人们从单分子的更深层次来探索生命和物质科学的机理,对于物理、生物、化学、材料等多个学科领域具有深远的意义。 

 

磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息,已被广泛应用于基础研究和医学等各大领域。然而当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式,其研究对象通常为数十亿个分子,成像分辨率仅为毫米量级,无法观测到单个分子的独特信息。此前的研究显示,基于钻石的新型磁共振技术则能将研究对象推进到单分子,成像分辨率提升至纳米级。但实现这一目标面临诸多挑战,主要是单分子信号太弱难以探测。 

 

钻石探针实现对单蛋白质分子信号的检测,绿色的光束为激发激光,红色的光束为可探测荧光信号。 (图片作者:王国燕、梁琰)

 

杜江峰研究团队利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子探针(以下简称“钻石探针”),选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象。首先将蛋白从细胞中分离并将标记物(氮氧自由基)固定在蛋白的特定位置,然后将此蛋白分子放置到钻石表面,此时标记物距离“钻石探针”约10纳米,会产生仅相当于地磁场十六分之一的极微弱的磁信号。“钻石探针”具有感知极弱磁信号的能力,在激光和微波操控下,它形成一个量子传感器,将单分子信号转化为光学信号而加以检测。经过两年多的努力,最终他们成功地在室温大气条件下首次获取了单个蛋白质分子的磁共振谱,并通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征,获取了此蛋白质分子的动力学性质。 

 

《科学》杂志将该工作选为当期亮点并配以专文报道,盛赞其“实现了一个崇高的目标”, “能够有效克服以往测蛋白分子结构时需要提纯和长成单晶的困难,并且能够实现对单蛋白分子在细胞内的原位检测……,是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。 

 

此前,杜江峰组已成功探测到金刚石体内两个13C原子核自旋,并通过刻画其相互作用强度以原子尺度分辨率解析出了这两个同位素原子的空间取向,向单核自旋磁共振谱学和成像迈出了重要一步 [Nature Physics 10, 21 (2014)]。另外,杜江峰教授通过与德美研究组合作,检测到(5nm)3有机样品中质子信号,取得纳米尺度核磁共振技术的突破性进展[Science 339, 561 (2013)]。同期的《科学》“展望”栏目专文评论为 “基于钻石的纳米磁探针,将磁共振成像的可探测体积到单个蛋白质分子水平”。 

 

 

此图展示了基于该成果技术的一个未来发展方向——单分子磁共振成像。为了直观显示,以大家熟知的DNA双链代替了文中的蛋白质分子。(图片作者:王国燕、马燕兵 )

 

 以此为基础,和扫描探针、高梯度磁场等技术结合,未来可将该技术应用于生命及材料领域的单分子成像、结构解析、动力学监测,甚至直接深入细胞内部进行微观磁共振研究。 

 

该系列研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。 

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