高穩(wěn)定溶液掃描隧道顯微鏡研制及蛋白質(zhì)亞分子特征成像
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【摘要】：第一臺掃描隧道顯微鏡于1982年研制成功,使人們實現(xiàn)了在原子尺度上直接觀察材料表面的精細結(jié)構(gòu)。隨后又衍生出超高真空掃描隧道顯微鏡,電化學(xué)掃描隧道顯微鏡等適用在不同極端環(huán)境下的家族成員。發(fā)展至今,掃描隧道顯微鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué),納米科學(xué)等領(lǐng)域。然而在分子生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi),溶液環(huán)境下的掃描隧道顯微鏡成像依然面臨很大的挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)報道的溶液中的生物大分子STM圖像,尤其是對于蛋白質(zhì),其分辨率普遍較低；此外,生理條件下的生物分子之間的功能化動態(tài)過程也幾乎沒有人觀測到過,上述成像困難主要是由于生物分子在溶液環(huán)境下結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和掃描隧道顯微鏡性能不夠穩(wěn)定等因素造成的。為了獲得高分辨率的生物單分子STM圖像和捕捉生物分子間的動態(tài)功能化過程,我們搭建了一款適合在溶液環(huán)境下工作的低漏電流、高剛性、高穩(wěn)定掃描隧道顯微鏡,能夠在無隔音減震的環(huán)境下獲得石墨的原子分辨率圖像,這些優(yōu)勢在很大程度上提高了掃描隧道顯微鏡在溶液環(huán)境下研究效率。過渡族金屬硫?qū)倩衔锸且活惖湫偷膶訝畈牧?具有著奇特的表面電子態(tài)分布,例如原子缺陷,電荷密度波等。由于這類材料的表面性質(zhì)大多比較活潑,容易在大氣中發(fā)生氧化,目前關(guān)于這類材料的相關(guān)STM研究基本上都是在低溫超高真空環(huán)境下進行的。我們通過在溶液中對該類層狀樣品進行解理,研究了TiSe2,TaS2和MoTe2三個典型的過渡族金屬化合物(樣品來自中科院強磁場中心孫玉平老師課題組),獲得了高清晰的原子分辨率圖像。我們展示了TiSe2材料表面獨特的單原子缺陷和三角形缺陷結(jié)構(gòu),TaS2在室溫下的近NC相電荷密度波結(jié)構(gòu)以及MoTe2的超分子結(jié)構(gòu)。掃描隧道顯微鏡(STM)能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)分子實現(xiàn)單分子成像,但大部分圖像是在空氣或者真空條件下獲得,不能夠反映出蛋白質(zhì)分子的真實結(jié)構(gòu)。利用原子力顯微鏡和電化學(xué)掃描隧道顯微鏡在溶液中對蛋白質(zhì)分子成像的相關(guān)研究有很多,但是由于蛋白質(zhì)分子的表面結(jié)構(gòu)在溶液環(huán)境下的不穩(wěn)定性以及成像技術(shù)等限制,已報道的蛋白分子圖像大都呈現(xiàn)球形或者橢球形的大致外形,而無法展示其亞分子結(jié)構(gòu)細節(jié),這極大限制了人們對蛋白在溶液狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的了解。NMR技術(shù)雖然能夠?qū)Φ鞍自谌芤籂顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)進行解析,但是對蛋白的大小有所要求,并且不能得到單分子成像。因此,實現(xiàn)蛋白質(zhì)分子在溶液環(huán)境下的STM高分辨成像,解析蛋白質(zhì)分子的真實內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然面臨非常大的挑戰(zhàn)。我們?yōu)閷崿F(xiàn)對蛋白質(zhì)分子的高分辨成像,改進了探針針尖包封技術(shù),控制溶液漏電流小于20pA.同時在傳統(tǒng)恒高成像模式的基礎(chǔ)上進行了改進—基于每行隧道電流平均值進行一次調(diào)整(取前一行的隧道電流平均值作為下一行掃描的電流值),既能夠在一定程度上保證探針不破壞樣品表面,同時也保證了成像速度。最后,利用該成像技術(shù),與強磁場中心張欣課題組合作,實現(xiàn)了鏈霉親和素,抗體和EGFR激酶區(qū)等不同大小和形狀蛋白的單分子高分辨率成像,直接觀測到三種蛋白質(zhì)分子的細節(jié)結(jié)構(gòu)。此外,EGFR激酶區(qū)分子的二聚結(jié)構(gòu)以及分子間的動態(tài)過程也首次被直接觀測到,上述工作已發(fā)表于Nano Research,2016 (IF=8.893, SCI一區(qū)),本人為第一作者。此外,我們通過給溶液環(huán)境下EGFR激酶區(qū)分子施加一個0.4T的靜態(tài)穩(wěn)磁場,研究了EGFR激酶區(qū)分子對靜態(tài)磁場的響應(yīng)。在外加磁場作用下,EGFR激酶區(qū)分子動能減弱,分子由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止,大連化物所的李國輝老師課題組通過分子動力學(xué)模擬驗證并解釋了這個結(jié)果。更重要的是EGFR激酶區(qū)分子的活性也受到了磁場的抑制,磁場強度越強,分子活性就越低。通過STM圖像,我們得到了EGFR激酶區(qū)分子活性受到抑制的原因：磁場改變了EGFR激酶區(qū)分子(端帶有電荷)的取向,阻止EGFR激酶區(qū)分子形成二聚體,而單個EGFR激酶區(qū)分子只有通過形成二聚體才具有活性,在我們得到的STM圖像中表現(xiàn)為EGFR激酶區(qū)分子大多沿磁場方向排列,該部分已發(fā)表于Oncotarget,2016 (IF=5.008, SCI一區(qū)),本人為共同第一作者。小分子組裝／解組裝是自然界常見的一種現(xiàn)象,透過小分子組裝／解組我們可以了解很多維持生命的深層機制。已報道的研究中,大多是先將小分子在溶液下完成自組裝,然后吹干,最后在真空環(huán)境下去研究組裝后的結(jié)構(gòu)。在溶液環(huán)境下直接的去觀測小分子的組裝／解組裝過程,還未曾報道過。我們首先利用掃描隧道顯微鏡在溶液環(huán)境下研究了自組裝完成后的納米纖維內(nèi)部的靜態(tài)分子排列結(jié)構(gòu),隨后又研究了由磷酸激酶控制的小分子組裝過程和由表皮因子受體激酶區(qū)控制的解組裝過程,第一次直接觀測到了上述酶控小分子組裝／解組裝的動態(tài)過程,證實了關(guān)于組裝／解組裝機理的正確性。此外納米纖維的自我修復(fù)動態(tài)過程也第一次被直接觀測到,該部分已發(fā)表于Nanoscale 2016 (IF=7.76, SCI一區(qū)),本人為共同第一作者。
【關(guān)鍵詞】：溶液掃描隧道顯微鏡 溶液環(huán)境 過渡金屬硫?qū)倩衔?/strong> 蛋白分子 亞分子分辨率 靜態(tài)磁場 組裝/解組裝
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH742;Q51
【目錄】：
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 第一章 掃描隧道顯微鏡簡介13-41
- §1.1 引言13-14
- §1.2 掃描隧道顯微鏡14-33
- 1.2.1 量子隧穿效應(yīng)14-16
- 1.2.2 成像模式16-17
- 1.2.3 粗步進馬達17-22
- 1.2.4 掃描成像裝置22-24
- 1.2.5 前置信號放大電路24-27
- 1.2.6 信號控制器27-28
- 1.2.7 隔音減震裝置28
- 1.2.8 應(yīng)用領(lǐng)域28-33
- 1.2.9 局限性33
- §1.3 原子力顯微鏡簡介33-34
- 1.3.1 工作原理33-34
- 1.3.2 成像模式34
- §1.4 本章小結(jié)34-35
- 參考文獻35-41
- 第二章 溶液掃描隧道顯微鏡研制及調(diào)試41-57
- §2.1 引言41
- §2.2 搭建溶液掃描隧道顯微鏡的考慮因素41-43
- 2.2.1 鏡體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性41-42
- 2.2.2 漏電流42-43
- §2.3 溶液掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計43-47
- 2.3.1 雙堆棧馬達43-44
- 2.3.2 獨立掃描頭44-45
- 2.3.3 鏡體組裝45-46
- 2.3.4 溶液樣品池46-47
- §2.4 針尖制備與包封47-49
- 2.4.1 針尖制備47-48
- 2.4.2 針尖絕緣包封48-49
- §2.5 調(diào)試結(jié)果49-54
- 2.5.1 隧道電流譜49-51
- 2.5.2 石墨原子分辨率成像51
- 2.5.3 漂移速度測定51-53
- 2.5.4 石墨烯原子分辨率成像53-54
- §2.6 本章小結(jié)54-55
- 參考文獻55-57
- 第三章 過渡族金屬硫?qū)倩衔镌臃直媛食上?/span>57-69
- §3.1 研究背景57-58
- §3.2 試驗方法58-59
- 3.2.1 單晶樣品生長58-59
- 3.2.2 溶液中單晶樣品解理59
- §3.3 TiSe_2表面缺陷STM成像59-61
- §3.4 MoTe_2超結(jié)構(gòu)STM成像61-62
- §3.5 TaS_2電荷密度波STM成像62-64
- §3.6 本章小結(jié)64-65
- 參考文獻65-69
- 第四章 蛋白質(zhì)亞分子特征STM成像69-89
- §4.1 研究背景69-71
- §4.2 適用于生物分子成像的Line-based恒高模式71
- §4.3 鏈霉親和素和抗體亞分子特征STM成像71-73
- 4.3.1 鏈霉親和素成像結(jié)果71-72
- 4.3.2 抗體成像結(jié)果72-73
- §4.4 表皮生長因子受體激酶區(qū)亞分子特征STM成像73-79
- 4.4.1 EGFR激酶區(qū)單分子成像73-74
- 4.4.2 EGFR激酶區(qū)分子取向成像74-75
- 4.4.3 EGFR激酶區(qū)二聚體結(jié)構(gòu)成像75-76
- 4.4.4 EGFR激酶區(qū)分子間相互作用成像76
- 4.4.5 蛋白分子尺寸增大效應(yīng)的解釋76-77
- 4.4.6 EGFR激酶區(qū)分子的磁場效應(yīng)77-79
- §4.5 質(zhì)粒和雙螺旋DNA高分辨STM成像79-81
- 4.5.1 質(zhì)粒高分辨成像79-80
- 4.5.2 雙螺旋DNA高分辨成像80-81
- §4.6 氨基酸小分子高分辨STM成像81-82
- §4.7 本章小結(jié)82-83
- 參考文獻83-89
- 第五章 酶控小分子組裝與解組裝動態(tài)過程STM成像89-107
- §5.1 分子自組裝簡介89-90
- 5.1.1 自組裝原理89
- 5.1.2 自組裝的常用表征技術(shù)89-90
- 5.1.3 自組裝的應(yīng)用90
- §5.2 酶控小分子組裝與解組裝STM成像90-100
- 5.2.1 研究背景90-91
- 5.2.2 酶控小分子組裝與解組裝機理91
- 5.2.3 納米纖維高分辨STM成像91-95
- 5.2.4 ALP控制的自組裝動態(tài)過程STM成像95-96
- 5.2.5 EGFR激酶區(qū)控制的解組裝動態(tài)過程STM成像96-99
- 5.2.6 納米纖維自我修復(fù)動態(tài)過程STM成像99-100
- 5.2.7 實驗存在的缺陷100
- §5.3 本章小結(jié)100-101
- 參考文獻101-107
- 第六章 總結(jié)與展望107-109
- 致謝109-111
- 在讀期間發(fā)表的論文及取得的研究成果111
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