单分子磁共振检测的生物制样方法

Cell is the basic unit of life activity, biomacromolecules such as protein and DNA plays an important role in cell activity, thus the study of the structure and function of them is the main content of the life science research. Fluorescence imaging and electron microscope technology are the traditional ways of biological macromolecules. However, their resolution is not high, the sample preparation is complicated, and obtaining little information. Also, raditional magnetic resonance methods detect multiple molecular average signal, unable to obtain information of a single molecule. In this project, we intend to use the single electron spin in Nitrogen-vacnacy center in diamond as a new kind of probe for magnetic resonance detection. The structures and fuctions of spin labeled proteins and DNA will be realized. Because of the chemical inertness of diamond surface, existing sample preparation methods can only satisfy large sample weight and low accuracy of magnetic resonance detection, unable to realize single molecule detection. In this project, combining biology, chemistry and physics knowledge, we will develop appropriate sample preparation methods and technology, which will be applied to single molecular magnetic resonance detection of biological samples. The sample preparation method has high stability, easy to judge the single molecular characteristics, and good repeatability. These new biological sample preparation methods are the foundation of widely use of single molecular magnetic resonance detection in life science research.

细胞是生命活动的基本单位，蛋白质和DNA等生物大分子在细胞活动中发挥着重要作用，因而对它们的结构和功能的研究是生命科学研究的主要内容。荧光成像和电镜技术等研究生物大分子的传统方法存在分辨率不高、制样复杂、获取的信息单一等不足，而传统磁共振方法检测的是多个分子的平均信号，无法获取单个分子的信息。本项目将使用金刚石NV色心中的固态单电子自旋作为一种新的磁共振检测探针，选取标记有电子自旋或核自旋的蛋白质和DNA样品，研究单个分子的结构和功能。因为金刚石表面的化学惰性，现有制样方法只能满足大样品量、低精度的磁共振检测，无法实现单分子检测。本项目将结合生物学、化学和物理学知识，研究合适的制样方法和工艺技术，制备出适用于单分子磁共振检测的生物样品。该样品制备方法将具有稳定性高，易于判断单分子特征，且可重复性好等特点。这些新的生物制样方法将为单分子磁共振检测在生命科学研究中的广泛应用打下基础。

单分子技术在生物学研究中发挥着重要作用，如各种单分子荧光技术和单分子力谱技术。近年来兴起的以金刚石氮-空位（NV）色心为量子传感器的微观磁共振技术得到快速发展，已经实现单个生物分子磁共振谱的探测，正在向单分子结构和功能的研究推进。然而，因为磁信号、金刚石材料和NV色心的特殊性，适用于单分子磁共振的样品制备并不成熟。因此，本项目主要在磁标签、生物样品在金刚石表面的放置、金刚石表面修饰和单分子磁共振测量等方面开展工作。首先，重点比较了氮氧自由基和TAM的电子自旋共振波谱和光稳定性，结果证明TAM有更窄的谱线展宽和更好的光稳定性。第二，我们研究了基于DNA折纸在金刚石表面的样品制备技术，制备了一种60 nm边长的正方形双层DNA折纸作为单分子载体，经过对DNA折纸的结构进行优化，最终成功将DNA折纸装配到金刚石表面。通过原子力显微镜图像进行表征显示其结构完整、分散均匀。第三，金刚石表面的化学修饰。我们对金刚石表面做了强酸、羧基和氨基处理，并比较了三种条件下DNA折纸的附着情况。结果表明经过结构优化的DNA折纸在三种处理表面都有很好的附着，并保持结构完整。最后，我们开展了细胞原位纳米分辨率铁蛋白磁成像和水溶液环境下DNA单分子ESR谱测量。一方面，对单细胞内的铁蛋白进行了自旋成像，通过扫描检测，实现了10 nm级的空间分辨率。另一方面，实现了水溶液环境单个DNA分子ESR谱的检测，监测到了生理条件下DNA分子的解链和聚合的动力学过程。本项目在单分子磁共振的样品制备方面做了比较系统的探索，尤其本项目开发的基于DNA折纸的金刚石表面单分子样品制备技术是广泛开展单分子磁共振研究的基础，预期将会在单分子/纳米尺度磁共振成像与谱学，以及生物大分子结构与功能的研究中得到应用。总之本项目的研究为将来单分子磁共振技术更加广泛地用于生物大分子研究打下了很好的基础。