北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組在單分子檢測(cè)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

時(shí)間：2016-12-05 10:48  作者：  來(lái)源：化學(xué)與分子工程學(xué)院

單分子檢測(cè)技術(shù)是一種在單分子層次上揭示組裝基元/生物分子間相互作用的精妙方法，能夠提供隱藏在系綜實(shí)驗(yàn)中的分子結(jié)構(gòu)與功能之間的豐富信息，因而被廣泛應(yīng)用于單個(gè)相互作用事件的動(dòng)力學(xué)研究。針對(duì)傳統(tǒng)的單分子熒光檢測(cè)手段可能遇到的問(wèn)題，如需要熒光標(biāo)記、具有光漂白以及時(shí)間分辨率不足的問(wèn)題，最近北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組結(jié)合電學(xué)檢測(cè)具有無(wú)損、無(wú)標(biāo)記和實(shí)時(shí)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，分別從硅納米線生物傳感器和石墨烯基分子器件出發(fā)，發(fā)展了單分子動(dòng)力學(xué)研究的電學(xué)新手段。相關(guān)成果分別發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)和Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。

在基于硅納米線器件的單分子檢測(cè)研究方向，他們已在前期工作中通過(guò)結(jié)合微納加工技術(shù)和界面化學(xué)修飾成功地構(gòu)建了單分子生物傳感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038)，并希望能將該單分子檢測(cè)技術(shù)延伸到單個(gè)生物分子間相互作用的研究中。為此目的，他們結(jié)合具有超快采樣率和超高信噪比的鎖相放大器，搭建出時(shí)間分辨率達(dá)到亞微秒級(jí)別的單分子電學(xué)測(cè)試平臺(tái)。利用該平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，他們捕獲到了用單個(gè)發(fā)卡狀DNA分子修飾的硅納米線生物傳感器在PBS溶液中呈現(xiàn)出的雙穩(wěn)態(tài)震蕩信號(hào)。通過(guò)一系列的溫度梯度電學(xué)測(cè)試獲得了單個(gè)DNA分子折疊與展開(kāi)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)詳細(xì)信息，這些信息與傳統(tǒng)的光學(xué)手段測(cè)得的結(jié)果完全吻合，驗(yàn)證了該單分子電學(xué)檢測(cè)平臺(tái)的可靠性。更重要的是，依賴于該測(cè)試平臺(tái)的高靈敏度和高時(shí)間分辨率，他們從實(shí)驗(yàn)上直接觀察到了具有單個(gè)堿基對(duì)分辨率的雜交動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并提出動(dòng)態(tài)拉鏈?zhǔn)侥Ｐ蛠?lái)解釋單堿基對(duì)逐一的雜交過(guò)程。該工作已發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)，被審稿人稱為是“Pioneering”的研究工作。

在基于碳基分子器件的單分子檢測(cè)研究方向，郭雪峰課題組長(zhǎng)期致力于碳基單分子器件的制備方法學(xué)研究，已解決了單分子器件制備難、穩(wěn)定性差的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，課題組在前期工作中已將石墨烯電極成功地應(yīng)用于構(gòu)建單分子光電子器件(Science 2016, 352, 1443; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666)和生物傳感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228; Chem. Sci. 2015, 6, 2469; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 5150)。最近，他們與美國(guó)西北大學(xué)J. Fraser Stoddart（2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）課題組合作，以石墨烯基分子器件為測(cè)試平臺(tái)，將“分子機(jī)器”中最常見(jiàn)的輪烷分子連接在石墨烯電極之間，研究了輪烷與甲基紫精的主客體分子間的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。相比傳統(tǒng)的研究主客體分子相互作用的研究手段如質(zhì)譜和核磁技術(shù)等，石墨烯基分子器件具有無(wú)標(biāo)記、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)且不依賴大型測(cè)試儀器，該方法開(kāi)啟了單分子器件在分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的新篇章，未來(lái)在探究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和揭示有機(jī)反應(yīng)機(jī)理上具有潛在的應(yīng)用。該工作于11月25日發(fā)表在Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和教育部基金的資助，特別感謝西北大學(xué)J. Fraser Stoddart教授，北京師范大學(xué)齊傳民教授和天津大學(xué)蘇紀(jì)豪教授。

原文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201603038/abstract

http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601113