中國科大在水溶液環境中實現單個生物分子磁共振譜探測

中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領銜的研究團隊運用量子技術首次在室溫水溶液環境中探測到單個DNA分子的磁共振譜，從而向運用單分子磁共振研究生物分子在生理環境中的構像和分子間相互作用邁出了重要一步。該工作發表在2018年9月出版的《自然-方法》上[

磁共振技術能夠在溶液環境準確無損地獲取物質的組成和結構信息，是目前研究生物分子結構和動力學的最有效的工具之一。然而，傳統的磁共振技術受限於探測靈敏度，其研究對象通常為數十億分子的宏觀體系，無法實現單分子的研究。杜江峰團隊利用鑽石中的氮-空位點缺陷作為量子傳感器（以下簡稱“鑽石傳感器”），它在綠色激光和特定頻率微波脈衝的調製下，形成對磁信號敏感的量子干涉儀，將微弱的磁信號放大為量子相位信號，並利用光學手段進行讀出。同時，由於鑽石傳感器的尺寸在原子量級，可以實現納米尺度的空間分辨能力。因此，鑽石傳感器可以實現單個分子探測，並能通過磁共振譜學解析其結構和動力學等信息。

杜江峰團隊此前的研究已經表明，基於鑽石傳感器能夠探測單個蛋白質分子的磁共振譜[Science 347, 1135–1138 (2015)]，實現了單分子磁共振的首次突破。該實驗中的蛋白質分子被生物膠固定在鑽石表面。然而，水溶液環境是生物分子保持生物活性並進行生命活動所必須的環境，在水溶液環境中進行單分子的磁共振探測是研究其生物功能的必經之路。杜江峰團隊與南加州大學教授覃智峰合作，以雙鏈DNA分子作為探測對象，此DNA分子被放置在鑽石表面並填充水溶液以保持其生理狀態。首先，為了防止DNA分子在溶液中的擴散，該團隊設計了一套化學反應流程，將DNA分子的一條鏈（下圖紅色虛線示意）一端通過氨基修飾，化學鍵合“拴”在鑽石表面，這也保證了DNA分子在鑽石表面的均勻分佈；同時將一種常用的氮氧自由基順磁標籤標記到DNA的另一條鏈（下圖藍色實線示意），其可以在水溶液中與鍵合鏈自由地複合-解鏈。其次，得益於鑽石微納技術的發展，加工得到鑽石納米柱，同時改進微波操控技術，使得探測效率大幅提升，能夠快速測得單分子磁共振譜，信號獲取時間從小時量級縮短到數分鐘。最終，該團隊成功地獲取了水溶液環境下單個DNA分子的磁共振譜，並通過譜分析得到其動力學和環境特徵信息。通過譜線展寬和仿真計算得到該DNA分子自由基的運動特徵時間信息；通過譜線超精細分裂大小得到該DNA分子所處的疏水性環境信息。

該工作為在水溶液環境中研究單個生物分子的結構和功能提供一種新的技術方法，是朝向細胞原位單分子研究邁出的重要一步。以此為基礎，和掃描探針、梯度磁場等技術相結合，未來可將該技術應用於生命科學領域的單分子成像、結構解析和動力學檢測，從單分子層面理解生物特性和生命功能，具有廣泛的應用前景。審稿人評述該工作：“單分子技術是當代生命科學的發展至關重要的一項技術，實現單個DNA分子的探測及其動力學行為研究將引起相關領域科學家很大的興趣”。

中科院微觀磁共振重點實驗室石發展、孔飛和趙鵬舉為該論文並列第一作者，杜江峰和覃智峰為該文通訊作者。此項研究得到科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。

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基於鑽石傳感器實現水溶液中的DNA分子探測

左圖：實驗方案示意圖。基底為鑽石單晶，為提升光學性質，微納加工得到圓柱形陣列，鑽石傳感器位於表面下方數納米，DNA分子“拴”在圓柱端面上，並置於水溶液中。右圖：實驗測得的單個DNA分子的磁共振譜，三條峰為氮氧自由基和氮核自旋的超精細耦合所致。

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關鍵字: 生物技術 水溶液 探測