Angew：识别单个氨基酸，SERS迈向单分子蛋白质测

作者：张馨予

通讯单位：意大利理工学院

研究亮点：

1. 利用金纳米星与金纳米孔壁之间的单个热点，实现了到了单分子SERS探测。

2. 通过分子动力学模拟与实验SERS谱图详细研究了多肽在金表面的吸附和运动状态。

蛋白质测序面临挑战

蛋白质是所有生命过程的重要参与者，蛋白质的一级结构，即氨基酸的排列顺序决定了蛋白质高级结构和功能，是现代生命科学进行蛋白质结构功能分析中很重要的分析目标。精确、快速、便捷的实现蛋白质一级结构分析，对于理解生命活动过程，疾病的早期诊疗具有重要的意义。例如，在可预见的未来，开发出手持式单分子蛋白质测序仪，与医疗数据库结合，病人在家中即可实现早期疾病诊断。这将是医疗领域革命性的突破，具有广阔的发展空间和市场前景。

目前蛋白质测序常用的是质谱（Mass Spectroscopy），需要首先把蛋白质切碎成多肽，然后再离子化多肽使得多肽链上的氨基酸有了电荷，再通过质量/电荷比来确定多肽中氨基酸的顺序，再比对蛋白质数据库还原切碎前的蛋白质。质谱仪器巨大，灵敏度低，需要至少一百万个多肽分子才能得出有意义的数据，对于测试生物体液中的占少数的蛋白质无能为力，质谱的这些缺点成为不仅是蛋白质测序而且是蛋白质组学(Proteomics)的重大瓶颈。

科学家于是寄希望于在基因测序取得重大成功的纳米孔单分子测序。但是，对于单分子蛋白质测序，相比于在单分子DNA测序中只用到4种碱基作为基本结构单元，蛋白质由20个不同的氨基酸组成，使得单分子蛋白质测序变得更为复杂。因为组成蛋白质氨基酸数量众多，无法通过离子电流等手段直接识别。目前各大研究机构和公司正在研究使用荧光标记20种氨基酸并通过单分子荧光来识别，但是仍然难于登天，一方面将不同染料分子连接到蛋白质链的每个氨基酸已经是接近不可能的任务。另一方面荧光的发光峰太宽，以至于不同染料分子的发光光谱相互交叠难以分辨，无法实现准确识别。表面增强拉曼光谱（SERS）利用贵金属表面等离子体共振产生的电磁场增强（热点），将吸附于其中的探测分子拉曼信号提高1010数量级，实现了对DNA等物质的单分子级探测。就如之前提到的描述的那样，SERS光谱在单分子分析中具有很大优势，例如狭窄的“指纹峰”有助于多路识别，抗光漂白和无须标记。

SERS在对多肽中氨基酸的识别，仍然有不少困难。一方面，由于携带苯环的氨基酸具有较大的拉曼散射截面，导致其它氨基酸的拉曼信号被完全覆盖。另一方面，由于对蛋白质的分析需要分散在溶液中进行，由于在金属表面复杂的运动过程，如吸附、脱附、翻转等，导致产生的拉曼信号出现飘动和展宽。因此，目前SERS研究无法精确识别单个氨基酸，特别是不含苯环的氨基酸。这些极大限制了SERS应用于单个蛋白质测序。

成果简介

为此，意大利理工学院Francesco De Angelis研究团队将蛋白质或氨基酸分子吸附于金纳米星上，通过施加电等离子体力（electro-plasmonic force）将粒子推进并约束在金纳米孔内，如图1所示，利用金纳米星与金纳米孔壁之间的单个热点，实现了到了单分子SERS探测，用于探测氨基酸和分辨仅含有两个不同氨基酸单元的单个多肽分子抗利尿激素（Vassoprein）和催产素（Oxytocin），并结合分子动力学模拟对照实验谱图，详细研究了多肽在金表面的吸附和运动状态。该系统被证实具有与氨基酸尺寸可比拟的高空间分辨率，可以无标记的精确识别多肽链上的单个氨基酸，为之后的单个蛋白测序打下了坚实的基础。

图1. 纳米星微流系统构成。