中科大首次在水溶液環境中實現單生物分子磁共振譜探測

　　中國科學技術大學杜江峰院士領銜的研究團隊運用量子技術，首次在室溫水溶液環境中探測到單個DNA分子的磁共振譜，向運用單分子磁共振研究生物分子在生理環境中的構像和分子間相互作用邁出了重要一步。該成果發表在9月出版的《自然—方法》上。

　　磁共振技術能夠在溶液環境準確無損地獲取物質的組成和結構信息，是目前研究生物分子結構和動力學的最有效工具之一。然而，受限于探測靈敏度，傳統磁共振技術無法實現單分子研究。研究人員利用鉆石傳感器，在綠色激光和特定頻率微波脈沖的調制下，形成對磁信號敏感的量子干涉儀，將微弱的磁信號放大為量子相位信號，并利用光學手段讀出。同時，由于鉆石傳感器的尺寸在原子量級，可以實現納米尺度的空間分辨能力。因此，鉆石傳感器可以實現單個分子探測，并能通過磁共振譜學解析其結構和動力學等信息。

　　水溶液環境是生物分子保持生物活性并進行生命活動所必需的環境，在水溶液環境中進行單分子磁共振探測是研究其生物功能的必經之路。杜江峰與美國南加州大學教授覃智峰合作，以雙鏈DNA分子作為探測對象，將其放在鉆石表面并填充水溶液以保持其生理狀態。

　　研究人員設計了一套化學反應流程，將DNA分子的一條鏈一端通過氨基修飾，化學鍵合“拴”在鉆石表面，保證了DNA分子在鉆石表面的均勻分布。同時，將一種常用的氮氧自由基順磁標簽標記到DNA的另一條鏈，可以在水溶液中與鍵合鏈自由地復合—解鏈。最終，該團隊成功獲取了水溶液環境下單個DNA分子的磁共振譜，并通過譜分析得到其動力學和環境特征信息。

　　該工作向細胞原位單分子研究邁出了重要一步，以此為基礎，和掃描探針、梯度磁場等技術相結合，未來可將該技術應用于生命科學領域的單分子成像、結構解析和動力學檢測，從單分子層面理解生物特性和生命功能。

　　相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41592-018-0084-1