Nature:絲纖蛋白電調控構象轉變及光刻應用的納米紅外研究

2020-12-01 儀器信息網

蠶和蜘蛛生產的絲蛋白纖維以其無與倫比的機械強度和其源於天然結構中豐富的β摺疊晶體所產生的可擴展性而為著名。受到傳統的成像技術低化學敏感和低空間分辨的限制，在納米尺度對絲蛋白纖維中的β摺疊構象轉變的研究具有極大的挑戰。

近期，中科院微系統所陶虎教授帶領的研究團隊利用neaspec公司的近場光學顯微鏡（neaSNOM）高化學敏感和10 nm空間分辨的優勢，在納米尺度近分子水平研究了電調控下絲蛋白中的多形態轉變。該工作發表在高水平的Nature Communication雜誌上。

該研究小組通過neaspec公司的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）配合1495cm-1和1790cm-1可調諧中紅外QCL雷射器（圖1d），採用專利的偽外差近場成像技術，對矽基底上尺寸約為10–350 nm的含高密度β摺疊絲蛋白聚集體（圖1e形貌），進行了納米尺度的紅外成像研究。從近場相成像圖（圖1f）中可以看出，在1631cm-1雷射下，富含β摺疊結構的絲蛋白與矽基底具有很強的對比。該對比主要源於β摺疊結構中的二級結構amide I在1631cm-1雷射下的強烈吸收。然而，在1710cm-1雷射下，近場相圖（圖1g）對比消失，顯示該波長下絲蛋白結構小的紅外吸收。同時通過不同波長下，對富含β摺疊結構的透明絲蛋白的近場相信號變化研究，繪製出了波長與近場相信號變化的曲線（圖1h），從曲線中可以明顯看出1631cm-1雷射下的絲蛋白的強烈吸收信號，與早期其他研究結果一致。

圖1  電調控下絲蛋白中納米尺度下的多形態轉變

該研究在納米尺度實現了蛋白質結構轉換的探測，結合納米精度的電子束光刻技術能為我們在二維及三維尺度實現絲蛋白的結構控制提供有力的方法；同時該工作為開啟納米尺度的蛋白質結構研究和探究蛋白質電誘導構象變化的臨界條件鋪平了道路；為未來設計基於蛋白質的納米結構提了供新的規則。

在取得前期研究成果的基礎上，該研究團隊再次利用neaspec公司的近場光學顯微鏡（neaSNOM）研究了不同類型的絲蛋白不同曝光時間的紅外吸收響應，並成功實現了基於蛋白生物材料的精確光刻蝕平板印刷技術。該研究成果以全文的形式發表在Advanced Science雜誌上。

研究人員利用s-SNOM的直接成像和化學識別功能，突破了傳統FTIR空間解析度的限制，在納米尺度下探索了UV曝光下薄層蛋白局域化學結構的變化。在1635cm-1波長下，獲得了不同曝光時間樣品UV–Silk30, UV–Silk90，UV–SilkHTP和UV–LC的相應近場相成像（圖2d）。結果顯示相對比度（絲蛋白和矽）隨著曝光時間增加而減弱表明交聯度的不斷增加。另外，不同蛋白微米圖案中吸收信號和曝光時間的關係曲線（圖1e）顯示，不同蛋白與曝光時間表現出隨交聯度變化的不同行為。例如：UV–Silk30的吸收強度線性隨曝光時間增加而減小，表明交聯度隨曝光時間而持續增加。

圖2   UV-silk和UV-LC的FTIR和s-SNOM表徵 

截止今年11月17日，以neaspec穩定的產品性能和服務為支撐，通過neaspec國內用戶的不斷努力，近兩年的時間已發表了關於近場光學成像和光譜的文章近30篇，其中超過半數發表在Nature Communication 、Advance Materials、ACS Nano、ACS Photonics和 ACS Sensor 及Nature子刊Light：Science & Application 等高水平期刊。伴隨更多的研究者信賴和選擇neaspec近場和光譜相關產品， neaspec國內用戶的持續增加，堅信neaspec國內用戶將在2018年取得更加豐厚的研究成果。



人物介紹
陶虎研究員於2016年榮獲由《科學中國人》頒發的「科學中國人年度人物」獎項， 同時已在國際知名期刊和頂級會議發表學術論文50餘篇，近5年ISI總引用達1000多次，多項創新前沿成果受到了國際同行廣泛關注和評價。他曾多次受邀在哈佛大學、杜克大學、麻省理工林肯實驗室、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室等國際知名學府和研究機構作特邀學術報告，其研究成果被Science、Nature、Nature Materials等國際頂級期刊多次專題報導。 

參考文獻 

1. Nanoscale probing of electron regulated structural transitions in silk proteins by near field IR imaging and nano-spectroscopy， Nature Comm. 7:13079

2. Precise Protein Photolithography (P3): High Performance Biopatterning Using Silk Fibroin Light Chain as the Resist, Adv. Sci. 2017, 1700191. 

相關產品及連結 

1、超高分辨散射式近場光學顯微鏡：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm

2、納米傅立葉紅外光譜儀：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm

3、太赫茲近場光學顯微鏡：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C270098.htm

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