激光网3月5日消息，在最近发表在《Small》杂志上的一项研究中，来自日本金泽大学纳米生命科学研究所的研究人员与美国西雅图的Sarikaya教授合作，使用调频原子力显微镜揭示了基因设计和点突变肽的分子结构及其自组织，每个肽在原子平面石墨和MoS上形成单分子厚，不同的生物晶体2表面，为生物电子学、生物传感器和蛋白质阵列等混合技术提供了潜在的平台。
蛋白质是生物学中的关键分子构建块，执行酶功能，运输离子和电子，并构成细胞结构的主要基础设施，例如离子泵。蛋白质的功能取决于它们的氨基酸序列，而氨基酸序列又决定了它们的三维分子结构。
蛋白质的氨基酸序列由给定特化细胞的基因编码。因此，氨基酸序列中的任何缺陷，例如点突变、氨基酸位置的变化、氨基酸缺失或两个或多个氨基酸的转座，都会影响蛋白质的分子结构，这反映在它们的功能上，通常会导致遗传疾病。
与蛋白质类似，肽也由氨基酸单元组成，每个肽都有独特的序列;然而，它们要短得多，从 10 到 30 个单位不等，并且同样由 DNA 编码。与蛋白质相比，它们更容易操作、设计和使用，蛋白质要大得多，难以合成，而且使用起来不切实际。
因此，如果要在分子尺度上根据生物学的经验教训开发未来的实用技术，就必须使用肽建立基础科学，然后可以在现实世界的应用中实施，例如生物传感器、生物电子学和逻辑器件，以及药物，所有这些都基于生物学的经验教训。
意识到这一前提，Sarikaya 教授在二十年前启动了一种新颖的融合科学方法，涉及基因工程、分子生物学、信息学、机器学习和材料科学与工程，用于设计固体结合肽，并展示了它们在实际混合技术中的应用。
在这项新研究中，其中一种肽被专门设计为石墨结合肽，突变为两种不同的肽，M6和M8，每种肽名义上分子量和大小相同，但包含带电氨基酸的点突变，分别为阴性和阳性。
正如预测的那样，它们的功能会有所不同，他们确实做到了。然而，无法先验预测的问题是，它们究竟会如何与彼此和野生型肽产生不同的作用，以及它们的分子结构和它们在底物石墨表面的动力学行为的细节是什么。
这些问题的答案，迄今为止的缺乏限制了对突变体与其可预测行为之间关系的理解，需要非常高的分辨率和对分子在水中的天然状态进行几秒钟到几小时的直接成像。
这就是金泽大学WPI纳米生命科学研究所Takeshi Fukuma教授的实验室出现的地方，他的团队在那里开发了调频原子力显微镜设施，能够以接近埃的图像分辨率在水环境中长时间询问分子级物体 - 这是实验系统不同寻常的功能组合， 特别是对于生物学研究。
在Ayhan Yurtsever博士、Kaito Hirata博士、Linhao Sun博士和Takeshi Fukuma博士的带领下，研究人员高度熟练的实验能力，该团队以前所未有的细节发现了突变体的行为，提供了从材料科学到物理学等几个传统不同学科的重要结果， 化学和生物学。
首先，尽管存在突变并且单独具有不同的总电荷，但每种肽不仅与石墨表面结合，而且还组装在一起，形成单分子厚的肽晶体。然而，虽然第一个突变体，带负电荷的突变体，形成一个结晶斜晶格，每个晶格中有两个分子，但第二个突变体，带正电的突变体，形成一个不同的斜晶格，含有单个肽。
这里真正有价值的是，肽的行为与其分子结构简单而直接相关，使用分子动力学建模。因此，研究人员能够从数学上描述每种肽与石墨基底的六方晶格之间的关系，这专门被描述为手性识别。
实际上，这意味着每种肽都被证明与底物石墨形成杂化界面，最好描述为晶体学相干，两者之间没有明显的间隙，这与生物学中的配体-受体或蛋白质/DNA 相互作用没有什么不同。
“活”分子对固态物体的分子识别以前从未被如此清楚地观察到，其细节也没有被描述为手性，这两者都增加了本出版物中提出的结果的重要性。
一方面，从生物学的角度来看，现在有大量的数据和细节来说明突变如何导致分子构象变化和肽的功能，这些数据和细节可以扩展到蛋白质的行为中，对基因突变和有效的药物设计具有重要意义。
另一方面，相干杂交表明，有生命和无生命的纳米级物体稳定地存在于同一个软界面上，形成了一个独特的分子桥，可以通过将生物学与固态器件无缝集成来最好地描述。
如果是这样，基于这项研究，科学家和技术人员有望通过使用简单的突变分子生物学工具，极大地拓宽未来生物/纳米设备的分子基础。
