“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)能夠準確、快速和無(wú)破壞地獲取物質(zhì)的組成和結構信息，已被廣泛用于基礎研究和醫學(xué)應用等多個(gè)領(lǐng)域。

　　但是，當前通用的磁共振譜儀受制于探測方式，其研究對象通常為數十億個(gè)分子，成像分辨率僅為毫米量級，無(wú)法觀(guān)測到單個(gè)分子的獨特信息。

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)銜的研究團隊將量子技術(shù)應用于單個(gè)蛋白分子研究，利用鉆石中的一種特殊結構做探針，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)文報道評價(jià)“此工作是通往活體細胞中單蛋白質(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)能將研究對象推進(jìn)到單分子，成像分辨率提升至納米級。但實(shí)現這一目標面臨諸多挑戰，主要是單分子信號太弱難以探測。

　　之后，杜江峰研究團隊利用鉆石中的氮—空位點(diǎn)缺陷作為量子探針(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鉆石探針”)，選取了細胞分裂中的一種重要蛋白為探測對象。首先將蛋白從細胞中分離并將標記物(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)標記物距離“鉆石探針”約10納米，會(huì )產(chǎn)生僅相當于地磁場(chǎng)十六分之一的極微弱的磁信號�！般@石探針”具有感知極弱磁信號的能力，在激光和微波操控下，它形成一個(gè)量子傳感器，將單分子信號轉化為光學(xué)信號而加以檢測。

　　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期亮點(diǎn)并配以專(zhuān)文報道，盛贊其“實(shí)現了一個(gè)崇高的目標”“能夠有效克服以往測蛋白分子結構時(shí)需要提純和長(cháng)成單晶的困難，并且能夠實(shí)現對單蛋白分子在細胞內的原位檢測……是通往活體細胞中單蛋白質(zhì)分子實(shí)時(shí)成像的里程碑”。

　　此前，杜江峰組已成功探測到金剛石體內兩個(gè)13C原子核自旋，并通過(guò)刻畫(huà)其相互作用強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，檢測到(5nm)3有機樣品中質(zhì)子信號，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)文評論為“基于鉆石的納米磁探針，將磁共振成像的可探測體積到單個(gè)蛋白質(zhì)分子水平”。

　　據了解，該研究不僅將磁共振技術(shù)的研究對象從數十億個(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)的前提下檢測其結構和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，直接在細胞膜上或細胞內研究蛋白質(zhì)分子�！倍沤�峰表示，這對生命科學(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)的機理，對于物理、生物、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域具有深遠的意義。

　　據介紹，以此為基礎，和掃描探針、高梯度磁場(chǎng)等技術(shù)結合，未來(lái)可將該技術(shù)應用于生命及材料領(lǐng)域的單分子成像、結構解析、動(dòng)力學(xué)監測，甚至直接深入細胞內部進(jìn)行微觀(guān)磁共振研究。

　　該研究獲得了國家自然科學(xué)基金項目的支持。