合肥微尺度物質科學國家實驗室（籌）與化學物理系羅毅教授研究團隊的葉樹集副教授小組繼2012年成功利用非線性和頻光譜技術從分子水平上理解了生物膜上離子通道蛋白質通道開放與關閉機理後(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6237−6243, Times cited: 23)，在界面蛋白質分子結構表徵方面再獲重要進展。該小組在國際上首次成功測出界面蛋白質的醯胺III譜帶信號，解決了如何區分界面蛋白質a-螺旋結構和無規捲曲結構這一界面表徵難題，研究成果以題為「Accurate Determination of Interfacial Protein Secondary Structure by Combining Interfacial-Sensitive Amide I and Amide III Spectral Signals」發表於國際著名期刊J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(4), 1206-1209上。
如何精確表徵蛋白質，特別是界面蛋白質的分子結構是理解蛋白質結構演變的關鍵，是國內外學者共同面臨的一個非常重要難題。針對該難題，該小組發展了界面光譜多譜帶協同表徵方法，首次利用和頻光譜技術成功測出了常規手段無法測量的界面蛋白質醯胺III信號。雖然a-螺旋與無規捲曲結構的醯胺I譜帶振動峰都位於1650 cm-1左右，但在醯胺III譜帶區域，它們的振動峰分別位於1260 cm-1以上和1260 cm-1以下(圖1左)，研究發現兩種結構所對應的醯胺III譜帶特徵峰面積比與蛋白質中無規捲曲結構含量成線性關係(圖1右)。將醯胺I和醯胺III信號結合起來，解決了如何區分界面蛋白質a-螺旋與無規捲曲結構這一界面蛋白質多年的難題。審稿人給與了該工作極高的評價，其中一審稿人認為該工作解決了一個蛋白質表徵上的缺口，提供了新的光譜窗口「The authors are attempting to address a measurement gap in the structural characterization of proteins,
…, this new spectral window may help address that cannot currently be tackled using existing alternative methods.」。另一審稿人說該工作是一個重要突破「The successful detection of low frequency SFG signals is an important breakthrough」。
圖1、界面蛋白質醯胺III譜帶的和頻光譜及其與蛋白質中無規捲曲結構含量關係
此外，在手性分子理論以及非線性光譜理論的啟發下，該研究組成功發展了免標記的手性與非手性界面光譜表徵技術，原位、實時地表徵了膽固醇分子在生物膜上的組裝與運輸行為：膽固醇分子以10°左右的傾斜取向角度插入中性生物膜中，並停留在生物膜磷脂雙層膜的外層，在純水環境下沒有發生翻轉行為(flip-flop)，膽固醇濃度較低時，膽固醇主要以圖2B中的c方式組裝，但高濃度下則以b方式組裝為主。該成果發表於J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 419–424。該技術將為膽固醇在真實細胞環境下的組裝與動力學行為研究提供了分子水平上的表徵技術與研究思想指導。
圖2、A) 6-Ketocholestanol 分子結構; B) 6-Ketocholestanol 分子可能的組裝方式
葉樹集副教授研究小組作為國際上利用非線性和頻光譜技術研究界面蛋白質分子結構與動力學僅有的幾個小組之一，發展了具有特色的表面與界面生物分子結構表徵手段，並圍繞生物界面相關物理化學問題及其新表徵方法的發展開展系統研究，在JACS, Langmuir, J. Phys. Chem. C, Analyst等國際著名期刊上發表了多篇系統性文章，研究成果被多種高端雜誌JACS, PNAS, Ann. Rev. Anal. Chem., 和 Chem. Rev.等介紹與引用，獲得國內外同行的高度認可。發表於J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6237−6243的工作入選了自然科學基金重大研究計劃「可控自組裝體系及其功能化」中期匯報的的重要進展之一。由於該小組系統而有特色的研究工作，2013年Elsevier出版社邀請該小組為著名叢書「Advances in Protein Chemistry and Structural Biology」撰寫綜述論文(Adv. Protein Chem. Struct. Biol. 2013, 93, 213-255.)，成為該叢書(包括Advances in Protein Chemistry)1944年創刊以來，第五篇以國內為第一作者單位署名發表的文章。以上工作得到科技部、基金委、中央高校創新團隊等資金資助。
（微尺度物質科學國家實驗室）