郭雪峰课题组与合作者发展了氨基酸手性识别的单分子技术

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氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质，同时也是许多药物分子的重要组成片段，在生命体中起着至关重要的作用，比如有氨基酸组成的蛋白酶具有高度专一的催化活性。因此，氨基酸的高灵敏检测与精准分析不仅仅可以加深对氨基酸在生命体内发挥作用机制的理解，同时在食品工业、天然产物和医药等领域都发挥着重要的作用。然而，氨基酸种类繁多，结构相似，且具有手性对映体，比如人体内的氨基酸都是L型。传统方法对氨基酸结构鉴定和手性识别存在着巨大挑战。最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组、中国科学技术大学杨金龙课题组以及东京大学Jun Terao课题组合作发展了一种独特的基于单分子器件平台的单分子电学检测关键技术，实现了在单分子水平上对于单个氨基酸分子的结构、手性以及带电形态的精准检测。

　　图1. 单分子器件的结构示意图

　　郭雪峰课题组和合作者设计合成了一种以全甲基化 β -环糊精为功能中心的共轭分子，并在末端修饰上氨基，通过酰胺键将其连接在带有羰基官能团的石墨烯点电极之间，构建了稳定的单分子器件。基于此类器件，通过高分辨的电学信号记录，实现了在单个事件水平上对氨基酸与环糊精分子的主客体动力学的原位实时检测，从而实现了对四种代表性氨基酸（丙氨酸、色氨酸、丝氨酸和酪氨酸）种类和存在形态的检测。氨基酸与环糊精的主客体结合过程是二级反应，而解离反应是一级反应。氨基酸在水溶液中存在内盐、共轭酸和共轭碱三种形态。这三种形态均可以与环糊精发生主客体识别，细致的动力学态间分析及理论计算可对复杂导电态进行辨认。基于氨基酸分子的解离弛豫时间及其对分子桥导电变化率两种参数，绘制了氨基酸手性识别的“指纹图谱”，实现氨基酸结构、种类和对映体的快速精准鉴定。
　　基于主客体作用的免标记的超高时空分辨率的单分子电学检测平台可用于对复杂环境中其它生物分子进行直接精准测量，为解决生命科学中的复杂问题如单分子蛋白质测序等提供了一种新的机遇。该工作于3月3日以“A single-molecule electrical approach for amino acid detection and chirality recognition”为题在线发表在 Science Advances 杂志上（ Sci. Adv.  2021,  7 , abe4365）。
　　该论文的共同第一作者分别是郭雪峰课题组的刘子豪、杨金龙课题组的李星星和Jun Terao课题组的Hiroshi Masai。郭雪峰教授、杨金龙教授和Jun Terao教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。
　　原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/10/eabe4365


       文章来源：北京大学
       郭雪峰，北京大学教授，杰青，科技部重点研发计划首席科学家和 中组部“万人计划”领军人才。2001年于北京师范大学获得学士和硕士学位，2004年于中国科学院化学研究所获得博士学位。2004~2007年在哥伦比亚大学纳米中心、化学系和物理系从事博士后研究工作。2008年入职北京大学。主要从事分子材料和器件的研究，发展了制备碳基电极的稳定单分子器件的突破性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关器件，发展了单分子电学检测新技术，开拓了单分子科学与技术研究的新领域。已发表包括2篇Science 在内的SCI论文147余篇（IF>10，57篇），引起了科学和工业界的广泛关注，《Scientific American》、《Nature》、《Science》等期刊和媒体以不同的形式亮点报道过25余次，应邀在Chem. Rev. 、Acc. Chem. Res.和Chem. Soc. Rev.等国际权威期刊上撰写邀请综述多篇，表明这些工作处于国际领先地位，是世界上能开展单分子电子学研究为数不多的几个代表性课题组之一。拥有或申请了国际国内专利14项，曾获全国百篇优秀博士论文奖、日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”奖、中国化学会青年化学奖、教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展和中国科学十大进展等奖励。作为首席科学家承担了科技部重点研发计划，主持了国家自然科学基金仪器项目、重点项目和杰青项目。
       杨金龙教授系中国科学技术大学教授，化学与材料科学学院执行院长，中国科学院院士，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，基金委创新研究群体负责人。1991年获中国科学技术大学理学博士学位。研究领域为理论与计算化学，在国际学术期刊上发表论文400余篇。合作研究成果于1999年和2001年两次被科技部评为中国基础科学研究十大新闻；于2001年、2005年和2013年三次入选两院院士评选的中国十大科技进展新闻；入选教育部评选的2009年度中国高校十大科技进展。曾获得教育部首届高等学校优秀青年教师奖、中国分析测试学会“CAIA”特别奖、国家自然科学二等奖、第九届中国青年科技奖等奖项。