由香港科技大学领导的研究团队研发出一种光学等离子体镊子控制的表面增强拉曼光谱平台，利用光的开关控制，在单分子水平上探测混合物中的各种胰岛淀粉样蛋白，揭示pH依赖性胰岛淀粉样蛋白的异质结构，以及与2型糖尿病相关的淀粉样蛋白聚集机制背后的秘密。
通过消除集成平均，单分子技术可以识别单个分子的信号，以揭示隐藏的细节，并彻底改变我们对复杂和异质分子系统的理解。目前的单分子方法仅限于超稀释和/或分子固定化，因为衍射极限检测体积无法进一步减少。
然而，某些生物分子参与各种相互作用，这些相互作用受浓度的显着影响。例如，人胰岛淀粉样蛋白多肽作为一种典型的内在无序蛋白质，缺乏稳定的二级结构，但具有受环境因素控制的聚集倾向，在II型糖尿病患者中形成不同的寡聚中间体和淀粉样蛋白原纤维。
由于检测动态混合物中稀有、瞬时和异质胰岛淀粉样蛋白存在挑战，其分子机制尚不清楚，因此需要开发先进的单分子方法。
科大化学系助理教授黄金清教授领导的研究团队最近取得突破，成功研发出一种结合光学等离子体操作和SERS测量的新型单分子平台，以减少检测体积并提升信号增强，从而实现高效和高通量的单分子表征，以研究生理浓度下的pH依赖性胰岛淀粉样蛋白。
具体来说，该团队在两个银纳米颗粒包被的二氧化硅微珠之间构建了一个等离子体连接，以捕获额外的银纳米颗粒，在激光照射下形成一个动态纳米腔，该纳米腔可以封装单个或几个分子，用于灵敏的SERS表征。
由于光学等离子体俘获和SERS现象在空间上都限制在纳米尺度内，因此它超越了光学衍射极限，从而实现了精确的位置控制，最小化了检测体积，同时提高了SERS的增强能力。
此外，构建的 Ag 纳米颗粒包被的二氧化硅微珠二聚体比在溶液中组装的传统 Ag 纳米颗粒更稳定，因此更容易在常规显微镜上观察和定位等离子体结，从而提高效率和重现性。通过在“开”和“关”状态之间切换激光，研究人员可以控制光学等离子体捕获，以调节动态纳米腔的组装和拆卸，以实现高通量采样和同步SERS测量。
利用这个高效的单分子平台，研究团队利用了在两种不同的生理条件下各种胰岛胰β细胞的分泌颗粒和pH 7.4下的细胞外区室的结构特征的统计学上显着的SERS光谱。
在中性pH值下淀粉样蛋白聚集的早期阶段，从其主要单体中鉴定出两种类型的低种群淀粉样蛋白物种，它们包含临界转角结构或具有受约束C末端的短β发夹，由分子动力学模拟支持。
即使在pH值从7.4调整到5.5之后，不同胰岛淀粉样蛋白之间平衡的这种轻微变化也可以驱动不可逆的淀粉样蛋白发展。因此，这些淀粉样蛋白物种在异质混合物中的直接结构表征表明了 pH 值对其分子内和分子间相互作用的影响，并揭示了 pH 调节的淀粉样蛋白聚集背后的机制，以了解 2 型糖尿病。
“我们提出了一种易于使用的策略，可以减少检测体积，增强分子信号，并提高周转效率，”黄教授解释道。“我们的单分子平台可以获取大量的SERS谱图作为分子快照，与通过MD模拟获得的光谱相当。通过对单分子水平的结构细节进行统计分析，我们能够重建本体性质，并获得对异质混合物中特定分子类型的种群和概率的独特见解。它有可能揭开复杂系统中隐藏的奥秘。
该研究最近发表在《自然通讯》上。
