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科學(xué)家開發(fā)出新一代先進(jìn)材料設(shè)計(jì)：可追蹤蛋白質(zhì)納米棒運(yùn)動(dòng)
蛋白質(zhì)是一種關(guān)鍵類型的大型生物相關(guān)有機(jī)分子，這對(duì)地球上的生命至關(guān)重要。除了自然發(fā)生的蛋白質(zhì)，研究人員還可以定制具有特定特征、結(jié)構(gòu)和屬性的蛋白質(zhì)。這包括設(shè)計(jì)能附著在不同表面的蛋白質(zhì)--包括云母等礦物?？刂坪土私獾鞍踪|(zhì)的附著是組裝先進(jìn)生物啟發(fā)材料的核心。
來自西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)、華盛頓大學(xué)(UW)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(BerkeleyLab)的一個(gè)研究小組一起工作對(duì)經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)納米棒如何在云母表面移動(dòng)進(jìn)行了追蹤。他們的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《ProceddingsoftheNationalAcademyofScience》上。該團(tuán)隊(duì)通過跟華盛頓大學(xué)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究所合作創(chuàng)造了一系列不同大小的蛋白質(zhì)納米棒，其專門設(shè)計(jì)用于跟云母結(jié)合。然后，研究人員采用高速顯微鏡來觀察單個(gè)納米棒的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究助理教授ShuaiZhang說道：“我們能以前所未有的分辨率跟蹤蛋白質(zhì)納米棒。我們使用的原子力顯微鏡是非常強(qiáng)大的，這使我們能夠?qū)崟r(shí)看到單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)?！?/span>
為了準(zhǔn)確觀察蛋白質(zhì)的旋轉(zhuǎn)，研究人員不得不在水中研究蛋白質(zhì)-云母系統(tǒng)。這種環(huán)境模擬了蛋白質(zhì)在真實(shí)礦物表面組裝的條件。
了解不同的運(yùn)動(dòng)
研究人員通過在顯微鏡下觀察該系統(tǒng)獲取了大量的數(shù)據(jù)。然而龐大的數(shù)據(jù)量使他們在分析方面面臨挑戰(zhàn)。對(duì)此，伯克利實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)了一種新機(jī)器學(xué)習(xí)算法解決了這個(gè)問題，該算法大大減少了處理圖像所需的時(shí)間。從那里，研究人員能觀察到蛋白質(zhì)移動(dòng)的速度及它們每次移動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)距離。
他們的觀察顯示，這些蛋白質(zhì)大多表現(xiàn)得像預(yù)期的那樣，即通過小幅度的跳躍移動(dòng)遵循可追溯至愛因斯坦的運(yùn)動(dòng)模型。然而這些蛋白質(zhì)偶爾會(huì)進(jìn)行大的、快速的跳躍，而這一模型卻無法解釋。
為了弄清這些不同類型的運(yùn)動(dòng)，該小組根據(jù)顯微鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。他們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)-表面鍵的能量控制著蛋白質(zhì)的旋轉(zhuǎn)方式。大多數(shù)時(shí)候，蛋白質(zhì)仍跟云母表面緊密結(jié)合，并只能做小的運(yùn)動(dòng)。偶爾它們會(huì)出現(xiàn)短暫地從云母上分離。在那些短暫的時(shí)間里，蛋白質(zhì)可以快速地進(jìn)行大跳動(dòng)。
PNNL的化學(xué)家BenLegg說道：“通過比較我們的觀察數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，我們能夠識(shí)別這兩種類型的蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)。我們認(rèn)為，大跳動(dòng)對(duì)組裝蛋白質(zhì)-礦物結(jié)構(gòu)有重要的影響?！?/span>
了解單個(gè)生物分子如何運(yùn)動(dòng)可以幫助研究人員開發(fā)更好的方法以在表面組裝大量的蛋白質(zhì)。