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Nature丝纤蛋白电调控构象转变及光刻应用的纳米红外研究

发布时间:2018-11-26 09:58:13 编辑:笔名

蚕和蜘蛛生产的丝蛋白纤维以其无与伦比的机械强度和其源于天然结构中丰富的β折叠晶体所产生的可扩展性而为。受到传统的成像技术低化学敏感和低空间分辨的限制,在纳米尺度对丝蛋白纤维中的β折叠构象转变的研究具有极大的挑战。

近期,中科院微系统所陶虎教授带领的研究团队利用neaspec公司的近场光学显微镜(neaSNOM)高化学敏感和10 nm空间分辨的优势,在纳米尺度近分子水平研究了电调控下丝蛋白中的多形态转变。该工作发表在高水平的Nature Communication杂志上。

该研究小组通过neaspec公司的散射型近场光学显微镜(s-SNOM)配合1495cm-1和1790cm-1可调谐中红外QCL激光器(图1d),采用专利的伪外差近场成像技术,对硅基底上尺寸约为10–350 nm的含高密度β折叠丝蛋白聚集体(图1e形貌),进行了纳米尺度的红外成像研究。从近场相成像图(图1f)中可以看出,在1631cm-1激光下,富含β折叠结构的丝蛋白与硅基底具有很强的对比。该对比主要源于β折叠结构中的二级结构amide I在1631cm-1激光下的强烈吸收。然而,在1710cm-1激光下,近场相图(图1g)对比消失,显示该波长下丝蛋白结构小的红外吸收。同时通过不同波长下,对富含β折叠结构的透明丝蛋白的近场相信号变化研究,绘制出了波长与近场相信号变化的曲线(图1h),从曲线中可以明显看出1631cm-1激光下的丝蛋白的强烈吸收信号,与早期其他研究结果一致。

图1 电调控下丝蛋白中纳米尺度下的多形态转变

该研究在纳米尺度实现了蛋白质结构转换的探测,结合纳米精度的电子束光刻技术能为我们在二维及三维尺度实现丝蛋白的结构控制提供有力的方法;同时该工作为开启纳米尺度的蛋白质结构研究和探究蛋白质电诱导构象变化的临界条件铺平了道路;为未来设计基于蛋白质的纳米结构提了供新的规则。

在取得前期研究成果的基础上,该研究团队再次利用neaspec公司的近场光学显微镜(neaSNOM)研究了不同类型的丝蛋白不同曝光时间的红外吸收响应,并成功实现了基于蛋白生物材料的精确光刻蚀平板印刷技术。该研究成果以全文的形式发表在Advanced Science杂志上。

研究人员利用s-SNOM的直接成像和化学识别功能,突破了传统FTIR空间分辨率的限制,在纳米尺度下探索了UV曝光下薄层蛋白局域化学结构的变化。在1635cm-1波长下,获得了不同曝光时间样品UV–Silk30, UV–Silk90,UV–SilkHTP和UV–LC的相应近场相成像(图2d)。结果显示相对比度(丝蛋白和硅)随着曝光时间增加而减弱表明交联度的不断增加。另外,不同蛋白微米图案中吸收信号和曝光时间的关系曲线(图1e)显示,不同蛋白与曝光时间表现出随交联度变化的不同行为。例如:UV–Silk30的吸收强度线性随曝光时间增加而减小,表明交联度随曝光时间而持续增加。

图2 UV-silk和UV-LC的FTIR和s-SNOM表征

截止今年11月17日,以neaspec稳定的产品性能和服务为支撑,通过neaspec国内用户的不断努力,近两年的时间已发表了关于近场光学成像和光谱的文章近30篇,其中超过半数发表在Nature Communication、Advance Materials、ACS Nano、ACS Photonics和 ACS Sensor及Nature子刊Light:Science & Application等高水平期刊。伴随更多的研究者信赖和选择neaspec近场和光谱相关产品, neaspec国内用户的持续增加,坚信neaspec国内用户将在2018年取得更加丰厚的研究成果。

人物介绍

陶虎研究员于2016年荣获由《科学中国人》颁发的“科学中国人年度人物”奖项,同时已在国际知名期刊和会议发表学术论文50余篇,近5年ISI总引用达1000多次,多项创新前沿成果受到了国际同行广泛关注和评价。他曾多次受邀在哈佛大学、杜克大学、麻省理工林肯实验室、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室等国际知名学府和研究机构作特邀学术报告,其研究成果被Science、Nature、Nature Materials等国际期刊多次专题报道。

参考文献

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.

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1、超高分辨散射式近场光学显微镜:

2、纳米傅里叶红外光谱仪:

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