“鉆石鑰匙”開(kāi)啟單分子磁共振研究之門(mén)

　　目前，由于磁共振技術(shù)能夠準(zhǔn)確、快速和無(wú)破壞地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息，已被廣泛用于基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。

　　但是，當(dāng)前通用的磁共振譜儀受制于探測(cè)方式，其研究對(duì)象通常為數(shù)十億個(gè)分子，成像分辨率僅為毫米量級(jí)，無(wú)法觀測(cè)到單個(gè)分子的獨(dú)特信息。

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)將量子技術(shù)應(yīng)用于單個(gè)蛋白分子研究，利用鉆石中的一種特殊結(jié)構(gòu)做探針，首次在在室溫大氣條件下，獲得了世界上首張單蛋白質(zhì)分子的磁共振譜。該成果使利用基于鉆石的高分辨率納米磁共振成像診斷成為可能。

　　該研究成果于3月6日發(fā)表在《科學(xué)》上，同期《科學(xué)》“展望”欄目專(zhuān)文報(bào)道評(píng)價(jià)“此工作是通往活體細(xì)胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時(shí)成像的里程碑”。

　　此前的研究顯示，基于鉆石的新型磁共振技術(shù)能將研究對(duì)象推進(jìn)到單分子，成像分辨率提升至納米級(jí)。但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要是單分子信號(hào)太弱難以探測(cè)。

　　之后，杜江峰研究團(tuán)隊(duì)利用鉆石中的氮—空位點(diǎn)缺陷作為量子探針(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鉆石探針”)，選取了細(xì)胞分裂中的一種重要蛋白為探測(cè)對(duì)象。首先將蛋白從細(xì)胞中分離并將標(biāo)記物(氮氧自由基)固定在蛋白的特定位置，然后將此蛋白分子放置到鉆石表面，此時(shí)標(biāo)記物距離“鉆石探針”約10納米，會(huì)產(chǎn)生僅相當(dāng)于地磁場(chǎng)十六分之一的極微弱的磁信號(hào)�！般@石探針”具有感知極弱磁信號(hào)的能力，在激光和微波操控下，它形成一個(gè)量子傳感器，將單分子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)而加以檢測(cè)。

　　經(jīng)過(guò)兩年多的努力，最終他們成功地在室溫大氣條件下首次獲取了單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜，并通過(guò)對(duì)比不同磁場(chǎng)下的多組磁共振譜的特征，獲取了此蛋白質(zhì)分子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

　　隨后，《科學(xué)》雜志將該工作選為當(dāng)期亮點(diǎn)并配以專(zhuān)文報(bào)道，盛贊其“實(shí)現(xiàn)了一個(gè)崇高的目標(biāo)”“能夠有效克服以往測(cè)蛋白分子結(jié)構(gòu)時(shí)需要提純和長(zhǎng)成單晶的困難，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單蛋白分子在細(xì)胞內(nèi)的原位檢測(cè)……是通往活體細(xì)胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時(shí)成像的里程碑”。

　　此前，杜江峰組已成功探測(cè)到金剛石體內(nèi)兩個(gè)13C原子核自旋，并通過(guò)刻畫(huà)其相互作用強(qiáng)度以原子尺度分辨率解析出了這兩個(gè)同位素原子的空間取向，向單核自旋磁共振譜學(xué)和成像邁出了重要一步。

　　另外，杜江峰教授通過(guò)與德美研究組合作，檢測(cè)到(5nm)3有機(jī)樣品中質(zhì)子信號(hào)，取得納米尺度核磁共振技術(shù)的突破性進(jìn)展。同期的《科學(xué)》“展望”欄目專(zhuān)文評(píng)論為“基于鉆石的納米磁探針，將磁共振成像的可探測(cè)體積到單個(gè)蛋白質(zhì)分子水平”。

　　據(jù)了解，該研究不僅將磁共振技術(shù)的研究對(duì)象從數(shù)十億個(gè)分子推進(jìn)到單個(gè)分子，并且“室溫大氣”這一寬松的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為該技術(shù)未來(lái)在生命科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了必要條件，使得高分辨率的納米磁共振成像及診斷成為可能。

　　“這項(xiàng)技術(shù)最直接的用途是在不影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的前提下檢測(cè)其結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，直接在細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)研究蛋白質(zhì)分子�！倍沤�峰表示，這對(duì)生命科學(xué)研究來(lái)說(shuō)有極大吸引力。

　　因此，該技術(shù)有望幫助人們從單分子的更深層次來(lái)探索生命和物質(zhì)科學(xué)的機(jī)理，對(duì)于物理、生物、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

　　據(jù)介紹，以此為基礎(chǔ)，和掃描探針、高梯度磁場(chǎng)等技術(shù)結(jié)合，未來(lái)可將該技術(shù)應(yīng)用于生命及材料領(lǐng)域的單分子成像、結(jié)構(gòu)解析、動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，甚至直接深入細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行微觀磁共振研究。

　　該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。