中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用量子技術(shù)首次在室溫水溶液環(huán)境中探測(cè)到單個(gè)DNA分子的磁共振譜，從而向運(yùn)用單分子磁共振研究生物分子在生理環(huán)境中的構(gòu)像和分子間相互作用邁出了重要一步。該工作發(fā)表在2018年9月出版的《自然-方法》上[Nature Methods 15, 697–699 (2018)]，并被選為五篇封面標(biāo)題文章之一。

基于鉆石傳感器實(shí)現(xiàn)水溶液中的DNA分子探測(cè)

　　磁共振技術(shù)能夠在溶液環(huán)境準(zhǔn)確無損地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息，是目前研究生物分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的最有效的工具之一。然而，傳統(tǒng)的磁共振技術(shù)受限于探測(cè)靈敏度，其研究對(duì)象通常為數(shù)十億分子的宏觀體系，無法實(shí)現(xiàn)單分子的研究。杜江峰團(tuán)隊(duì)利用鉆石中的氮-空位點(diǎn)缺陷作為量子傳感器(以下簡(jiǎn)稱“鉆石傳感器”)，它在綠色激光和特定頻率微波脈沖的調(diào)制下，形成對(duì)磁信號(hào)敏感的量子干涉儀，將微弱的磁信號(hào)放大為量子相位信號(hào)，并利用光學(xué)手段進(jìn)行讀出。同時(shí)，由于鉆石傳感器的尺寸在原子量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的空間分辨能力。因此，鉆石傳感器可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子探測(cè)，并能通過磁共振譜學(xué)解析其結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)等信息。

　　杜江峰團(tuán)隊(duì)此前的研究已經(jīng)表明，基于鉆石傳感器能夠探測(cè)單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜[Science 347, 1135–1138 (2015)]，實(shí)現(xiàn)了單分子磁共振的首次突破。該實(shí)驗(yàn)中的蛋白質(zhì)分子被生物膠固定在鉆石表面。然而，水溶液環(huán)境是生物分子保持生物活性并進(jìn)行生命活動(dòng)所必須的環(huán)境，在水溶液環(huán)境中進(jìn)行單分子的磁共振探測(cè)是研究其生物功能的必經(jīng)之路。杜江峰團(tuán)隊(duì)與南加州大學(xué)教授覃智峰合作，以雙鏈DNA分子作為探測(cè)對(duì)象，此DNA分子被放置在鉆石表面并填充水溶液以保持其生理狀態(tài)。首先，為了防止DNA分子在溶液中的擴(kuò)散，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套化學(xué)反應(yīng)流程，將DNA分子的一條鏈(下圖紅色虛線示意)一端通過氨基修飾，化學(xué)鍵合“拴”在鉆石表面，這也保證了DNA分子在鉆石表面的均勻分布;同時(shí)將一種常用的氮氧自由基順磁標(biāo)簽標(biāo)記到DNA的另一條鏈(下圖藍(lán)色實(shí)線示意)，其可以在水溶液中與鍵合鏈自由地復(fù)合-解鏈。其次，得益于鉆石微納技術(shù)的發(fā)展，加工得到鉆石納米柱，同時(shí)改進(jìn)微波操控技術(shù)，使得探測(cè)效率大幅提升，能夠快速測(cè)得單分子磁共振譜，信號(hào)獲取時(shí)間從小時(shí)量級(jí)縮短到數(shù)分鐘。最終，該團(tuán)隊(duì)成功地獲取了水溶液環(huán)境下單個(gè)DNA分子的磁共振譜，并通過譜分析得到其動(dòng)力學(xué)和環(huán)境特征信息。通過譜線展寬和仿真計(jì)算得到該DNA分子自由基的運(yùn)動(dòng)特征時(shí)間信息;通過譜線超精細(xì)分裂大小得到該DNA分子所處的疏水性環(huán)境信息。

　　該工作為在水溶液環(huán)境中研究單個(gè)生物分子的結(jié)構(gòu)和功能提供一種新的技術(shù)方法，是朝向細(xì)胞原位單分子研究邁出的重要一步。以此為基礎(chǔ)，和掃描探針、梯度磁場(chǎng)等技術(shù)相結(jié)合，未來可將該技術(shù)應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域的單分子成像、結(jié)構(gòu)解析和動(dòng)力學(xué)檢測(cè)，從單分子層面理解生物特性和生命功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。審稿人評(píng)述該工作：“單分子技術(shù)是當(dāng)代生命科學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要的一項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)DNA分子的探測(cè)及其動(dòng)力學(xué)行為研究將引起相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家很大的興趣”。

　　中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石發(fā)展、孔飛和趙鵬舉為該論文并列第一作者，杜江峰和覃智峰為該文通訊作者。此項(xiàng)研究得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

實(shí)驗(yàn)方案示意圖?；诪殂@石單晶，為提升光學(xué)性質(zhì)，微納加工得到圓柱形陣列，鉆石傳感器位于表面下方數(shù)納米，DNA分子“拴”在圓柱端面上，并置于水溶液中。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的單個(gè)DNA分子的磁共振譜，三條峰為氮氧自由基和氮核自旋的超精細(xì)耦合所致。