高穩(wěn)定溶液掃描隧道顯微鏡研制及蛋白質(zhì)亞分子特征成像.pdf

1、第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡于1982年研制成功，使人們實(shí)現(xiàn)了在原子尺度上直接觀察材料表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)。隨后又衍生出超高真空掃描隧道顯微鏡，電化學(xué)掃描隧道顯微鏡等適用在不同極端環(huán)境下的家族成員。發(fā)展至今，掃描隧道顯微鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)，納米科學(xué)等領(lǐng)域。然而在分子生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，溶液環(huán)境下的掃描隧道顯微鏡成像依然面臨很大的挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)報(bào)道的溶液中的生物大分子STM圖像，尤其是對(duì)于蛋白質(zhì)，其分辨率普遍較低;此外，生理?xiàng)l件下的生物分子之間的功能化

2、動(dòng)態(tài)過程也幾乎沒有人觀測(cè)到過，上述成像困難主要是由于生物分子在溶液環(huán)境下結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和掃描隧道顯微鏡性能不夠穩(wěn)定等因素造成的。
　　為了獲得高分辨率的生物單分子STM圖像和捕捉生物分子間的動(dòng)態(tài)功能化過程，我們搭建了一款適合在溶液環(huán)境下工作的低漏電流、高剛性、高穩(wěn)定掃描隧道顯微鏡，能夠在無隔音減震的環(huán)境下獲得石墨的原子分辨率圖像，這些優(yōu)勢(shì)在很大程度上提高了掃描隧道顯微鏡在溶液環(huán)境下研究效率。
　　過渡族金屬硫?qū)倩衔锸且活惖?/p>

3、型的層狀材料，具有著奇特的表面電子態(tài)分布，例如原子缺陷，電荷密度波等。由于這類材料的表面性質(zhì)大多比較活潑，容易在大氣中發(fā)生氧化，目前關(guān)于這類材料的相關(guān)STM研究基本上都是在低溫超高真空環(huán)境下進(jìn)行的。我們通過在溶液中對(duì)該類層狀樣品進(jìn)行解理，研究了TiSe2，TaS2和MoTe2三個(gè)典型的過渡族金屬化合物（樣品來自中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心孫玉平老師課題組），獲得了高清晰的原子分辨率圖像。我們展示了TiSe2材料表面獨(dú)特的單原子缺陷和三角形缺陷結(jié)構(gòu)，

4、TaS2在室溫下的近NC相電荷密度波結(jié)構(gòu)以及MoTe2的超分子結(jié)構(gòu)。
　　掃描隧道顯微鏡(STM)能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)分子實(shí)現(xiàn)單分子成像，但大部分圖像是在空氣或者真空條件下獲得，不能夠反映出蛋白質(zhì)分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)。利用原子力顯微鏡和電化學(xué)掃描隧道顯微鏡在溶液中對(duì)蛋白質(zhì)分子成像的相關(guān)研究有很多，但是由于蛋白質(zhì)分子的表面結(jié)構(gòu)在溶液環(huán)境下的不穩(wěn)定性以及成像技術(shù)等限制，已報(bào)道的蛋白分子圖像大都呈現(xiàn)球形或者橢球形的大致外形，而無法展示其亞分子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

5、，這極大限制了人們對(duì)蛋白在溶液狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的了解。NMR技術(shù)雖然能夠?qū)Φ鞍自谌芤籂顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，但是對(duì)蛋白的大小有所要求，并且不能得到單分子成像。因此，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)分子在溶液環(huán)境下的STM高分辨成像，解析蛋白質(zhì)分子的真實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然面臨非常大的挑戰(zhàn)。我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)分子的高分辨成像，改進(jìn)了探針針尖包封技術(shù)，控制溶液漏電流小于20pA.同時(shí)在傳統(tǒng)恒高成像模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)—基于每行隧道電流平均值進(jìn)行一次調(diào)整（取前一行的隧道電流平

6、均值作為下一行掃描的電流值），既能夠在一定程度上保證探針不破壞樣品表面，同時(shí)也保證了成像速度。最后，利用該成像技術(shù)，與強(qiáng)磁場(chǎng)中心張欣課題組合作，實(shí)現(xiàn)了鏈霉親和素，抗體和EGFR激酶區(qū)等不同大小和形狀蛋白的單分子高分辨率成像，直接觀測(cè)到三種蛋白質(zhì)分子的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。此外，EGFR激酶區(qū)分子的二聚結(jié)構(gòu)以及分子間的動(dòng)態(tài)過程也首次被直接觀測(cè)到，上述工作已發(fā)表于Nano Research，2016(IF=8.893，SCI一區(qū))，本人為第一作者。此外

7、，我們通過給溶液環(huán)境下EGFR激酶區(qū)分子施加一個(gè)0.4T的靜態(tài)穩(wěn)磁場(chǎng)，研究了EGFR激酶區(qū)分子對(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)的響應(yīng)。在外加磁場(chǎng)作用下，EGFR激酶區(qū)分子動(dòng)能減弱，分子由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)殪o止，大連化物所的李國(guó)輝老師課題組通過分子動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證并解釋了這個(gè)結(jié)果。更重要的是EGFR激酶區(qū)分子的活性也受到了磁場(chǎng)的抑制，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，分子活性就越低。通過STM圖像，我們得到了EGFR激酶區(qū)分子活性受到抑制的原因:磁場(chǎng)改變了EGFR激酶區(qū)分子（一端帶有電荷

8、）的取向，阻止EGFR激酶區(qū)分子形成二聚體，而單個(gè)EGFR激酶區(qū)分子只有通過形成二聚體才具有活性，在我們得到的STM圖像中表現(xiàn)為EGFR激酶區(qū)分子大多沿磁場(chǎng)方向排列，該部分已發(fā)表于Oncotarget，2016(IF=5.008，SCI一區(qū))，本人為共同第一作者。
　　小分子組裝/解組裝是自然界常見的一種現(xiàn)象，透過小分子組裝/解組我們可以了解很多維持生命的深層機(jī)制。已報(bào)道的研究中，大多是先將小分子在溶液下完成自組裝，然后吹干，最后

9、在真空環(huán)境下去研究組裝后的結(jié)構(gòu)。在溶液環(huán)境下直接的去觀測(cè)小分子的組裝/解組裝過程，還未曾報(bào)道過。我們首先利用掃描隧道顯微鏡在溶液環(huán)境下研究了自組裝完成后的納米纖維內(nèi)部的靜態(tài)分子排列結(jié)構(gòu)，隨后又研究了由磷酸激酶控制的小分子組裝過程和由表皮因子受體激酶區(qū)控制的解組裝過程，第一次直接觀測(cè)到了上述酶控小分子組裝/解組裝的動(dòng)態(tài)過程，證實(shí)了關(guān)于組裝/解組裝機(jī)理的正確性。此外納米纖維的自我修復(fù)動(dòng)態(tài)過程也第一次被直接觀測(cè)到，該部分已發(fā)表于Nanosca