唐龙华课题组《Science Advances》发文报道基于量子隧穿的单分子蛋白质电导测量技术

编辑: 时间:2022年05月20日 访问次数:0

518日,《Science Advance》杂志在线发表了浙江大学光电科学与工程学院唐龙华课题组和英国帝国理工学院Aleksandar P. Ivanov  Joshua B. Edel等团队合作的题为“Measuring conductance switching in single proteins using quantum tunneling”的研究论文。该研究中利用量子隧穿结器件(quantum mechanical tunnelling probes)实现了单分子蛋白质的长时电导测量,观察到了室温、溶液环境中单个蛋白质分子的偏压依赖下电导动态响应。Science Advances官网以“Quantum tunneling measures charge of single proteins”进行了图片亮点报道。该器件技术有望用于探究蛋白质在生物过程中的实时构象与功能机制,在蛋白动态功能表征、生物光电子器件等领域具有重要应用价值。




蛋白质是生物体中的必要组成成分,是生命活动的主要承担者。其中,蛋白质的电子输运行为与能量转转等与能量转换等重要生命过程密切相关。例如,在呼吸作用、光合作用和其他关键生物过程中,蛋白质作为天然的电子输运媒介,是电子传递链中重要组成部分。因此,研究蛋白质的电学输运行为具有重要意义,不仅有助于理解蛋白质构象和功能机制,而且有助于发展新型蛋白质调控和表征技术。然而,目前对如何实现室温下、在溶液环境中的个体蛋白质进行实时电学测量仍面临着技术挑战。

科学家们一直在寻找可靠的方法,将蛋白质与生物光电子器件相结合,从而更好地理解和操纵蛋白质介导的电子传输过程。2019年,亚利桑那州立大学Stuart Lindsay团队利用电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)首次在实验室观测到了非金属蛋白在特定条件下具有超常的电荷传输能力。然而,EC-STM的工作原理使得难以构建长时间稳定的金属-生物分子-金属结,无法满足对蛋白质长时间的稳定测量,阻碍了对蛋白质电子输运本质的进一步理解,限制了该类型蛋白分子器件的功能应用。


唐龙华课题组致力于分子光电子器件、高时空分辨测量技术与仪器研究。他们前期与帝国理工学院的Aleksandar P. IvanovJoshua B. Edel团队合作在量子隧穿结器件和单分子测量领域已取得重要进展,研制出了一种新型固定间隙隧穿(quantum mechanical tunnelling , QMT)器件,实现了亚纳米~5纳米范围的隧穿结器件的可控制备。该器件由一对稳定且间隙大小可控的隧穿电极组成,集成于百纳米直径的针尖,适用于溶液中长时间光学或电学测量。此外,该隧穿结器件兼容介电泳技术,可实现超低浓度下(< 10-15 mol/L)的单分子电学测量。文章成果于2021年发表在《Nature Communications》期刊(图1)。

1结合介电泳分子操控的隧穿结器件与单分子超低浓度电学测量 (Tang et al., Nat. Commun., 2021, 12, 913


近日,该研究团队针对蛋白动态电导测量的关键问题,提出了一种内嵌单分子蛋白质的隧穿结器件的构筑技术,可实现微秒级时间分辨的溶液中电导测量,并首次测定了偏压依赖下的蛋白电导动态响应。该技术首先对隧穿电极表面进行硫醇化生物素修饰,然后与非氧化还原活性四聚体链霉亲和素相结合,进而在溶液环境中测量单个非氧化还原活性蛋白的量子隧穿电学信号(图2)。不同偏压下I-tI-V扫描测试结果都证实了蛋白质电导对偏压的依赖性,呈正相关。同时,在不同偏置电压条件下的长时间测量,所有电流信号都表现出一致的振荡特性,证明了蛋白质连接的稳定性及其电学特性的再现性。

2.利用隧穿结构筑的单分子蛋白质器件示意图(Science Advances, 2022, 8, eabm8149, DOI: 10.1126/sciadv.abm8149


本研究利用亚5纳米间距的隧穿结器件构筑了单蛋白的分子结,实现了室温、溶液环境下蛋白电导的长时测量(>2小时),并首次测定了偏压依赖下的蛋白动态响应电导,进一步分析了电场对蛋白电子输运行为的影响机制。该研究提供了一种构建单分子蛋白器件新方法,为测量单个蛋白质分子电导提供了新技术,有望为蛋白实时构象和功能解析提供重要工具,从而在蛋白质测序、生物光电子器件和生化传感等领域有着重要应用。


论文第一作者为浙江大学光电科学与工程学院唐龙华,通讯作者为浙江大学唐龙华和帝国理工学院的Aleksandar P. IvanovJoshua B. Edel。本项目研究还得到了浙江大学刘旭教授、亚利桑那州立大学Stuart Lindsay教授课题组和北京大学郭雪峰教授课题组的悉心指导和大力支持。研究是在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目“单分子时空分辨光电纳米镜”、浙江省杰出青年基金等项目资助下完成的。


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8149



【唐龙华课题组简介】


唐龙华,浙江大学光电科学与工程学院,副教授/博士生导师。迄今共发表SCI源论文60余篇,包括Science AdvancesNature CommunicationsChemical Society ReviewsACS NanoNano Today等,Web of Science总被他引8000+次,Google Scholar累计引用9800+次。曾获2015年国家自然科学奖二等奖(5/5)和2013年荣获教育部自然科学一等奖(4/7),2021年获得浙江省杰出青年基金项目资助。

课题组主要围绕生物分子“空--量”多维信息获取的关键问题,开展分子光电子器件、高时空分辨测量技术与仪器研究,包括单分子纳米镊、隧穿传感以及单分子光电综合探测仪器等。

课题组网页:https://person.zju.edu.cn/lhtang