中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)銜的研究團隊運用量子技術(shù)首次在室溫水溶液環(huán)境中探測到單個DNA分子的磁共振譜，從而向運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。

基于鉆石傳感器實現(xiàn)水溶液中的DNA分子探測

　　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)受限于探測靈敏度，其研究對象通常為數(shù)十億分子的宏觀體系，無法實現(xiàn)單分子的研究。杜江峰團隊利用鉆石中的氮-空位點缺陷作為量子傳感器(以下簡稱“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，形成對磁信號敏感的量子干涉儀，將微弱的磁信號放大為量子相位信號，并利用光學(xué)手段進行讀出。同時，由于鉆石傳感器的尺寸在原子量級，可以實現(xiàn)納米尺度的空間分辨能力。因此，鉆石傳感器可以實現(xiàn)單個分子探測，并能通過磁共振譜學(xué)解析其結(jié)構(gòu)和動力學(xué)等信息。

　　杜江峰團隊此前的研究已經(jīng)表明，基于鉆石傳感器能夠探測單個蛋白質(zhì)分子的磁共振譜[Science 347, 1135–1138 (2015)]，實現(xiàn)了單分子磁共振的首次突破。該實驗中的蛋白質(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行生命活動所必須的環(huán)境，在水溶液環(huán)境中進行單分子的磁共振探測是研究其生物功能的必經(jīng)之路。杜江峰團隊與南加州大學(xué)教授覃智峰合作，以雙鏈DNA分子作為探測對象，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分子在溶液中的擴散，該團隊設(shè)計了一套化學(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(下圖藍色實線示意)，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，同時改進微波操控技術(shù)，使得探測效率大幅提升，能夠快速測得單分子磁共振譜，信號獲取時間從小時量級縮短到數(shù)分鐘。最終，該團隊成功地獲取了水溶液環(huán)境下單個DNA分子的磁共振譜，并通過譜分析得到其動力學(xué)和環(huán)境特征信息。通過譜線展寬和仿真計算得到該DNA分子自由基的運動特征時間信息;通過譜線超精細分裂大小得到該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)解析和動力學(xué)檢測，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)重要的一項技術(shù)，實現(xiàn)單個DNA分子的探測及其動力學(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實驗室石發(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。此項研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。

實驗方案示意圖?；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。

實驗測得的單個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耦合所致。