中国科大实现单根短链DNA分子序列结构化学识别的原理性展示量子信息

　　近日，中国迷信技能年夜学单份子迷信团队的董振超研究小组，经由过程成长与扫描地道显微镜相联合的亚纳米辨别针尖加强拉曼光谱（TERS）技能，初次正在单碱基辨别程度上展示了单根短链DNA份子序列布局的实空间化学问别。该结果于11月27日正在国际出名学术期刊《美国化学会志》上正在线颁发。

　　生物份子（如DNA、卵白质等）的序列测定以及布局剖析关于懂得它们的生物学机制以及功用相当重要。只管传统的布局生物学要领已普遍使用于生物份子布局的阐发，但关于份子量较小的生物份子，尤为是那些难以标志或结晶的份子，想要正在亚份子程度上肯定这些生物份子的化学布局依然存正在很年夜应战，是以急需开发一种无需标志、且具有高化学活络度以及地面间辨别率的生物份子布局表征要领。近些年来，单份子针尖加强拉曼光谱技能一直成长，经由过程把拉曼光谱辨认份子布局振动指纹信息的才能以及扫描地道显微镜（STM）的地面间辨别才能联合起来，可以正在亚纳米标准上对单份子的外部化学布局举行实空间表征，为完成生物份子序列布局的辨认供给了可能。

　　2013年，该团队初次正在无机小份子系统展示了亚纳米辨别的单份子拉曼成像技能 [Nature 498, 82 (2013)]，将具备化学问别才能的空间辨别率普及到了一个纳米如下（~0.5nm）。2019年，团队进一步将空间辨别率普及到了1.5 Å的单个化学键辨认程度，并基于这项技能提出了一种重构份子化学布局的新要领 [National Science Review 6,1169(2019)]。然而，关于像DNA链如许的庞大生物份子来讲，只管此前有很多研究组基于年夜气情况下的TERS技能试图对DNA碱基序列举行辨认，但因为来自单个核苷酸的拉曼旌旗灯号很弱，并且DNA份子的柔性使患上丈量历程中份子极易产生蜿蜒以及变形，给试验丈量带来了伟大应战，是以至今依然未能完成单碱基辨别的清楚测序展示，更不必说对单个碱基中的官能团举行辨认以及定位。

　　正在本事情中，团队以人工设计的单根短链DNA份子作为模子系统，摸索TERS技能辨认柔性生物份子序列布局的可行性。针对上述应战，该团队接纳了三种计谋来霸占难关：（1）经由过程准确调控STM针尖尖真个原子标准银团簇布局以修筑等离激元纳腔，使患上份子地点的局域电磁场获得高度聚焦以及加强，从而完成对DNA份子拉曼旌旗灯号的加强；（2）经由过程高温冷却样品（液氮以至液氦温度）并升高引发拉曼散射的激光功率以普及吸附正在名义的DNA份子的波动性，按捺份子热静止对丈量的滋扰；（3）经由过程开发基于电磁脉冲阀的样品制备要领，将溶液中的DNA份子转移到真空下原子级干净的金属名义，防止DNA份子正在衬底名义的堆积以及净化，使患上清楚的单份子研究成为可能。正在此根蒂根基上，团队起首对由同种核苷酸构成的短链DNA份子划分举行TERS丈量，得到没有同核苷酸的拉曼指纹作为参考数据库，然后设计了由四个没有同核苷酸构成的单链DNA份子（序列为ATGC）作为道理性展示模子系统，经由过程STM描摹表征定位单个DNA份子，进一步研究其位置相干的TERS光谱特征，寄托没有同核苷酸的光谱指纹特性将各个没有同的碱基逐一辨认进去，从而初次完成正在空间以及光谱上同时对DNA份子序列布局的清楚辨认。经由过程对单个DNA份子碱基的进一步实空间TERS成像，可以更好地展示这类单碱基程度的辨别才能，从成像图案中不只可以辨别单个DNA份子中相邻的核苷酸，还可以得到DNA份子吸附构型的重要布局信息，以至区别碱基以及磷酸骨架的空间漫衍，和单个碱基T中的甲基基团以及单个碱基G/T/C中的羰基基团的空间位置。这些道理性展示成果不只证实了TERS技能辨别单个碱基、单个官能团的才能，也为跟踪生物份子中的润色或活性位点供给了可能。瞻望将来，TERS这类无标志要领要是与阵列纳米加工以及人工智能联合起来，无望成长成一种新的系列布局丈量技能，为单个生物年夜份子（如长链DNA/RNA、卵白质等）序列布局的实空间化学问别供给一种潜正在的新路子。

　　韩彧博士生、董立副研究员以及朱路遥博士生为这篇文章的配合第一作者。张超副研究员、张尧传授、董振超传授是文章的配合通信作者。该系列研究事情获得了基金委、科技部、中国迷信院、教诲部、安徽省等单元的撑持。

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