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2018年09月08日 星期六
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中科大实现单个生物分子磁共振谱探测

首次在室温水溶液环境中实现,未来可用于生命科学领域的单分子成像等

本报讯(记者 桂运安)记者9月7日从中科大获悉,该校杜江峰院士团队运用量子技术首次在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱,从而向运用单分子磁共振研究生物分子在生理环境中的构像和分子间相互作用迈出重要一步。该成果发表在最新一期著名期刊《自然·方法》上。

  磁共振技术能在溶液环境准确无损地获取物质组成和结构信息,是研究生物分子结构和动力学最有效的工具之一。然而,传统磁共振技术受限于探测灵敏度,其研究对象通常为数十亿分子的宏观体系,无法实现单分子研究。杜江峰团队利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子传感器,在绿色激光和特定频率微波脉冲的调制下,形成对磁信号敏感的量子干涉仪,将微弱磁信号放大为量子相位信号,并利用光学手段读出。由于钻石传感器的尺寸在原子量级,可以实现纳米尺度的空间分辨能力,因此可以实现单个分子探测,并能通过磁共振谱学解析其结构和动力学等信息。

  水溶液环境是生物分子保持生物活性,并进行生命活动所必需的环境。在水溶液环境中进行单分子的磁共振探测,是研究其生物功能的必经之路。杜江峰团队与合作者以双链DNA分子作为探测对象,此DNA分子被放置在钻石表面,并填充水溶液以保持其生理状态。他们通过特别的设计,将DNA分子均匀地分布在钻石表面,防止DNA分子在溶液中扩散,同时得益于钻石微纳技术的发展,实现探测效率大幅提升,信号获取时间从小时量级缩短到数分钟,最终成功地获取了水溶液环境下单个DNA分子的磁共振谱,并得到其动力学和环境特征等信息。

  审稿人认为:“单分子技术是当代生命科学发展至关重要的一项技术,实现单个DNA分子的探测及其动力学行为研究,将会引起相关领域科学家很大的兴趣。 ”杜江峰介绍,与扫描探针、梯度磁场等技术相结合,未来可将该技术应用于生命科学领域的单分子成像、结构解析和动力学检测,从单分子层面理解生物特性和生命功能,具有广泛的应用前景。