作者:董建华 发表时间:2011-06-03 来源:化学科学部

将单分子力谱技术发展成为研究高分子结构与高分子间相互作用的方法是近年来非常重要的课题。关于溶液中单个高分子链的力学性质的研究已经取得了长足的进展（张文科，张希，Prog. Polym. Sci., 2003, 28, 1271-1295）。

最近，在国家自然科学基金的资助下，吉林大学张文科教授进一步发展了方法，将研究对象拓展到高分子分子间相互作用直接测量，分别在高分子结晶态分子间相互作用和RNA与蛋白质间相互作用取得重要进展。

对于核酸与蛋白质的相互作用机理的研究有利于实现对许多重要生命过程，如病毒感染及癌细胞生长的调控。而研究生物体系中核酸与蛋白质的相互作用对于准确揭示它们之间的作用机理更具实际意义，但长期以来由于难以找到适当方法获得直接测量，使得此研究进展缓慢。张文科与中国科学院长春应用化学所苏朝晖、王倩等合作，选取了烟草花叶病毒（TMV）为研究对象，利用单分子力谱方法研究了其基因组RNA与蛋白质外壳之间的相互作用。通过精细调控，将TMV颗粒以竖直方式固定在固体基片表面，然后利用AFM针尖与TMV内部的RNA之间的物理吸附作用，将RNA基因组从其蛋白质外壳中逐步提拉出来，直接测得了RNA从其蛋白质外壳上解组装所需外力的大小（见图1）。该解组装力随着拉伸速率的增加而增大，随着pH值的增加而降低。研究还发现，解组装的RNA在适宜条件下可以重新结合到其蛋白质外壳上。通过此研究他们将AFM单分子力谱方法拓展到复杂生物体系中核酸与蛋白质相互作用的研究中，同时有望将该技术应用到病毒感染机理的研究。相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11036-11038。

高分子材料的力学性质是由高分子链结构与高分子链之间的相互作用所决定。但是，由于体系的复杂性，对处于凝聚态的高分子体系中分子间相互作用的单分子研究很难实现。张文科与清华大学张希教授合作，他们在国际上率先将原子力显微镜（AFM）的成像与单分子力谱巧妙地结合起来，建立了从单分子水平研究高分子单晶中聚合物链之间相互作用的方法。以末端含巯基修饰的聚氧乙烯（PEO）单晶为模型体系，先利用自晶种法从其稀溶液中制备出PEO单晶；接着利用金纳米粒子与巯基之间化学吸附标记巯基末端，结合AFM成像来定位金纳米粒子；再利用双巯基修饰的AFM针尖与特定的金纳米粒子接触，通过化学吸附形成桥连（见图2）。他们利用这种方法成功地实现了高分子链从其晶体中的单分子拉伸，定量测量了高分子链间相互作用的强度。该研究拓宽了单分子力谱方法在高分子凝聚态研究中的应用，并可能用于单分子水平研究各种高分子的结晶行为。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 3226-3229。论文发表后，Nature Materials杂志以“Getting a grip”为题，将该项工作作为“研究亮点”进行了报道。同时，NPG Asia Materials 以“Polymer science: Investigating interactions”为题也进行了评述。

图1 单分子力谱测定烟草花叶病毒中RNA从其蛋白质外壳上解组装所需外力

图2 单分子力谱定量测定高分子单晶中聚合物链间相互作用

来源：http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_523/32364.htm