“钻石钥匙”打开单分子磁共振新天地

2015-3-16 13:30| 发布者: 高华华| 查看: 3096| 评论: 0|来自: 中国科大新创校友基金会

摘要: 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。这项成果3月6日发表在国际著名学术期刊《科学》上。同期《科学》“展望”栏目专文报道称赞“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”。 ...

钻石 , 磁共振 , 单分子

石钥匙”开启单分子磁共振研究新领域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

钻石，璀璨夺目，恒久不变，一直被人类视为地位、富贵和永恒情感的象征。但你可能不知道，它在科学领域也可以发挥巨大作用。

       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。

       这项成果3月6日发表在国际著名学术期刊《科学》上。同期《科学》“展望”栏目专文报道称赞“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”。

       为啥把“钻石”引入磁共振技术？

       此图展示了基于该成果技术的其中一个未来发展方向——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子。

       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。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”有啥用？

       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

       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。他们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在钻石表面，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，获取了它的动力学性质。牛人们怎么看？此图展示了基于该成果技术的其中一个未来发展方向——单分子磁共振成像。图中蓝白相间的点结构为文中蛋白质分子结构图的艺术化表现。

       这项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。

       专家称，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。

       《科学》杂志将该工作选为同期亮点文章并配以专文报道，盛赞其“实现了一个雄心勃勃的目标”，“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”。