高穩(wěn)定溶液掃描隧道顯微鏡研制及蛋白質亞分子特征成像.pdf

1、第一臺掃描隧道顯微鏡于1982年研制成功，使人們實現了在原子尺度上直接觀察材料表面的精細結構。隨后又衍生出超高真空掃描隧道顯微鏡，電化學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廣泛應用于材料科學，納米科學等領域。然而在分子生物學領域內，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)。目前已經報道的溶液中的生物大分子STM圖像，尤其是對于蛋白質，其分辨率普遍較低;此外，生理條件下的生物分子之間的功能化

2、動態(tài)過程也幾乎沒有人觀測到過，上述成像困難主要是由于生物分子在溶液環(huán)境下結構的不穩(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。
　　過渡族金屬硫屬化合物是一類典

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大多比較活潑，容易在大氣中發(fā)生氧化，目前關于這類材料的相關STM研究基本上都是在低溫超高真空環(huán)境下進行的。我們通過在溶液中對該類層狀樣品進行解理，研究了TiSe2，TaS2和MoTe2三個典型的過渡族金屬化合物（樣品來自中科院強磁場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材料表面獨特的單原子缺陷和三角形缺陷結構，

4、TaS2在室溫下的近NC相電荷密度波結構以及MoTe2的超分子結構。
　　掃描隧道顯微鏡(STM)能夠對蛋白質分子實現單分子成像，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分子的真實結構。利用原子力顯微鏡和電化學掃描隧道顯微鏡在溶液中對蛋白質分子成像的相關研究有很多，但是由于蛋白質分子的表面結構在溶液環(huán)境下的不穩(wěn)定性以及成像技術等限制，已報道的蛋白分子圖像大都呈現球形或者橢球形的大致外形，而無法展示其亞分子結構細節(jié)

5、，這極大限制了人們對蛋白在溶液狀態(tài)下的結構的了解。NMR技術雖然能夠對蛋白在溶液狀態(tài)下的結構進行解析，但是對蛋白的大小有所要求，并且不能得到單分子成像。因此，實現蛋白質分子在溶液環(huán)境下的STM高分辨成像，解析蛋白質分子的真實內部結構依然面臨非常大的挑戰(zhàn)。我們?yōu)閷崿F對蛋白質分子的高分辨成像，改進了探針針尖包封技術，控制溶液漏電流小于20pA.同時在傳統(tǒng)恒高成像模式的基礎上進行了改進—基于每行隧道電流平均值進行一次調整（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，同時也保證了成像速度。最后，利用該成像技術，與強磁場中心張欣課題組合作，實現了鏈霉親和素，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，直接觀測到三種蛋白質分子的細節(jié)結構。此外，EGFR激酶區(qū)分子的二聚結構以及分子間的動態(tài)過程也首次被直接觀測到，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0.4T的靜態(tài)穩(wěn)磁場，研究了EGFR激酶區(qū)分子對靜態(tài)磁場的響應。在外加磁場作用下，EGFR激酶區(qū)分子動能減弱，分子由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止，大連化物所的李國輝老師課題組通過分子動力學模擬驗證并解釋了這個結果。更重要的是EGFR激酶區(qū)分子的活性也受到了磁場的抑制，磁場強度越強，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圖像中表現為EGFR激酶區(qū)分子大多沿磁場方向排列，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制。已報道的研究中，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構。在溶液環(huán)境下直接的去觀測小分子的組裝/解組裝過程，還未曾報道過。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部的靜態(tài)分子排列結構，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，第一次直接觀測到了上述酶控小分子組裝/解組裝的動態(tài)過程，證實了關于組裝/解組裝機理的正確性。此外納米纖維的自我修復動態(tài)過程也第一次被直接觀測到，該部分已發(fā)表于Nanosca