蠶和蜘蛛生產(chǎn)的絲蛋白纖維以其的機械強度和其源于天然結(jié)構(gòu)中豐富的β折疊晶體所產(chǎn)生的可擴展性而為。受到傳統(tǒng)的成像技術(shù)低化學敏感和低空間分辨的限制，在納米尺度對絲蛋白纖維中的β折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變的研究具有大的挑戰(zhàn)。

    近期，中科院微系統(tǒng)所陶虎教授帶的研究團隊用neaspec公司的近場光學顯微鏡（neaSNOM）高化學敏感和10 nm空間分辨的勢，在納米尺度近分子水平研究了電調(diào)控下絲蛋白中的多形態(tài)轉(zhuǎn)變。該工作發(fā)表在高水平的Nature Communication雜志上。 

    該研究小組通過neaspec公司的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）配合1495cm⁻¹和1790cm⁻¹可調(diào)諧中紅外QCL激光器（圖1d），采用的偽外差近場成像技術(shù)，對硅基底上尺寸約為10–350 nm的含高密度β折疊絲蛋白聚集體（圖1e形貌），進行了納米尺度的紅外成像研究。從近場相成像圖（圖1f）中可以看出，在1631cm⁻¹激光下，富含β折疊結(jié)構(gòu)的絲蛋白與硅基底具有很強的對比。該對比主要源于β折疊結(jié)構(gòu)中的二結(jié)構(gòu)amide I在1631cm⁻¹激光下的強烈吸收。然而，在1710cm⁻¹激光下，近場相圖（圖1g）對比消失，顯示該波長下絲蛋白結(jié)構(gòu)小的紅外吸收。同時通過不同波長下，對富含β折疊結(jié)構(gòu)的透明絲蛋白的近場相信號變化研究，繪制出了波長與近場相信號變化的曲線（圖1h），從曲線中可以明顯看出1631cm⁻¹激光下的絲蛋白的強烈吸收信號，與早期其他研究結(jié)果致。

圖1  電調(diào)控下絲蛋白中納米尺度下的多形態(tài)轉(zhuǎn)變

    該研究在納米尺度實現(xiàn)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的探測，結(jié)合納米精度的電子束光刻技術(shù)能為我們在二維及三維尺度實現(xiàn)絲蛋白的結(jié)構(gòu)控制提供有力的方法；同時該工作為開啟納米尺度的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究和探究蛋白質(zhì)電誘導構(gòu)象變化的臨界條件鋪平了道路；為未來設(shè)計基于蛋白質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)提了供新的規(guī)則。
    在取得前期研究成果的基礎(chǔ)上，該研究團隊再次用neaspec公司的近場光學顯微鏡（neaSNOM）研究了不同類型的絲蛋白不同曝光時間的紅外吸收響應(yīng)，并成功實現(xiàn)了基于蛋白生物材料的光刻蝕平板印刷技術(shù)。該研究成果以全文的形式發(fā)表在Advanced Science雜志上。
    研究人員用s-SNOM的直接成像和化學識別功能，突破了傳統(tǒng)FTIR空間分辨率的限制，在納米尺度下探索了UV曝光下薄層蛋白局域化學結(jié)構(gòu)的變化。在1635cm⁻¹波長下，獲得了不同曝光時間樣品UV–Silk30, UV–Silk90，UV–SilkHTP和UV–LC的相應(yīng)近場相成像（圖2d）。結(jié)果顯示相對比度（絲蛋白和硅）隨著曝光時間增加而減弱表明交聯(lián)度的不斷增加。另外，不同蛋白微米圖案中吸收信號和曝光時間的關(guān)系曲線（圖1e）顯示，不同蛋白與曝光時間表現(xiàn)出隨交聯(lián)度變化的不同行為。例如：UV–Silk30的吸收強度線性隨曝光時間增加而減小，表明交聯(lián)度隨曝光時間而持續(xù)增加。

圖2   UV-silk和UV-LC的FTIR和s-SNOM表征 

  截止今年11月17日，以neaspec穩(wěn)定的產(chǎn)品性能和服務(wù)為支撐，通過neaspec國內(nèi)用戶的不斷努力，近兩年的時間已發(fā)表了關(guān)于近場光學成像和光譜的文章近30篇，其中超過半數(shù)發(fā)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。伴隨更多的研究者信賴和選擇neaspec近場和光譜相關(guān)產(chǎn)品， neaspec國內(nèi)用戶的持續(xù)增加，堅信neaspec國內(nèi)用戶將在2018年取得更加豐厚的研究成果。

人物介紹

陶虎研究員于2016年榮獲由《科學中國人》頒發(fā)的“科學中國人年度人物”獎項， 同時已在期刊和*會議發(fā)表學術(shù)論文50余篇，近5年ISI總引用達1000多次，多項創(chuàng)新前沿成果受到了同行廣泛關(guān)注和評價。他曾多次受邀在哈佛大學、杜克大學、麻省理工林肯實驗室、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室等學府和研究機構(gòu)作邀學術(shù)報告，其研究成果被Science、Nature、Nature Materials等*期刊多次題報道。

參考文獻 

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.