分析化學(xué)旨在有效地區(qū)分兩個(gè)氨基酸。在《科學(xué)進(jìn)展》的新報(bào)告中Liu Zihao和及化學(xué)，物理和材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用基于分子納米電路的單分子電方法形成穩(wěn)定的石墨烯-分子-石墨烯單分子結(jié)。該團(tuán)隊(duì)通過共價(jià)鍵合分子機(jī)器來開發(fā)這些分子連接。然后他們使用pH值來改變氨基酸的類型和電荷，以發(fā)現(xiàn)相對(duì)于理論計(jì)算而言，源于多種宿主客體相互作用的獨(dú)特的多峰電流波動(dòng)。電導(dǎo)數(shù)據(jù)為每種氨基酸產(chǎn)生了特征性的流平時(shí)間和穿梭率，從而可以進(jìn)行準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)的原位測(cè)量。

蛋白質(zhì)的基本組成部分

氨基酸構(gòu)成了蛋白質(zhì)，具有特殊生理功能的分子以及在生命科學(xué)中應(yīng)用的藥物中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元素的構(gòu)建基塊。研究人員可以識(shí)別氨基酸的對(duì)映異構(gòu)體，以提供有關(guān)手性識(shí)別和生物系統(tǒng)中生理功能的重要信息。檢測(cè)氨基酸的結(jié)構(gòu)，對(duì)映體純度和動(dòng)態(tài)行為可以促進(jìn)蛋白質(zhì)測(cè)序和藥物研究新技術(shù)的產(chǎn)生。在蛋白質(zhì)組學(xué)，藥物和納米生物技術(shù)中，具有不同結(jié)構(gòu)和手性的氨基酸的檢測(cè)和鑒定至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的分子機(jī)器只能通過比較整體的熱力學(xué)參數(shù)來發(fā)揮作用，這是不夠的。因此重要的是發(fā)展一種通用的分子技術(shù)，以革新現(xiàn)有的方法和高精度識(shí)別目標(biāo)分子。在這項(xiàng)工作中，劉等人。展示了一種單分子技術(shù)，該技術(shù)通過基于稱為石墨烯-分子-石墨烯的單分子連接體(簡(jiǎn)稱為GMG-SMJs)的共價(jià)單分子技術(shù)，通過精確動(dòng)態(tài)測(cè)量宿主與客體之間的相互作用，直接鑒定出不同的蛋白原氨基酸及其對(duì)映異構(gòu)體將行為分子作為導(dǎo)電通道的單個(gè)分子系統(tǒng)整合到電子納米電路中。

新方法提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，可以形成單分子電子器件來創(chuàng)建分子光電器件。為了開發(fā)構(gòu)建體，Liu等人。共價(jià)夾在一對(duì)氨基納米石墨烯跳空點(diǎn)接觸之間的分子機(jī)酸檢測(cè)和手性識(shí)別。結(jié)果將為開發(fā)用于實(shí)際應(yīng)用的精確單分子蛋白質(zhì)測(cè)序的納米技術(shù)開辟新的途徑。

設(shè)備開發(fā)，電氣特性和實(shí)時(shí)測(cè)量

該研究小組使用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上合成了單層石墨烯，然后將其轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅晶片上，并使用光刻技術(shù)對(duì)金屬電極進(jìn)行了構(gòu)圖。為了開發(fā)納米間隙的石墨烯點(diǎn)接觸電極，他們使用了虛線光刻方法。然后，他們通過酰胺鍵將單分子機(jī)器與石墨烯電極共價(jià)連接，從而構(gòu)建了GMG-SMJ(石墨烯-分子-石墨烯單分子連接)。該團(tuán)隊(duì)在各個(gè)階段測(cè)量了設(shè)備的電流-電壓曲線，以識(shí)別GMG-SMJ的形成。通過結(jié)的電荷傳輸是由單分子連接引起的。然后，他們進(jìn)行了時(shí)變電學(xué)表征，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全甲基化β-環(huán)糊精(PM-β-CD)單分子連接(SMJ)的電導(dǎo)。他們首先在水中然后在不同氨基酸的不同溶液中測(cè)量了構(gòu)建體。代表性的當(dāng)前時(shí)間軌跡揭示了溶液中不同氨基酸的多峰分布，例如L-絲氨酸和L-丙氨酸。每個(gè)氨基酸的多個(gè)不同狀態(tài)僅源自功能性PM-β-CD中心與周圍氨基酸之間的締合/解離過程。

為了更好地理解基于L-丙氨酸的PM-β-CD單分子連接中宿主與客體相互作用之間的相關(guān)性，Liu等人。計(jì)算了帶有不同電荷的L-丙氨酸客體的PM-β-CD宿主的透射光譜。為此，他們使用了基于Atomistix Toolkit軟件包所隱含的基于密度泛函理論的非平衡格林函數(shù)技術(shù)。他們注意到擾動(dòng)的最高占據(jù)分子軌道(p-HOMO)對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)在低偏壓下占主導(dǎo)地位，如透射光譜所反映。在電極的費(fèi)米能級(jí)附近，該構(gòu)型的透射光譜顯著不同，以提供不同的電導(dǎo)級(jí)。然后，研究人員分析了氨基酸識(shí)別過程中每個(gè)水平之間的過渡。他們以L-丙氨酸為例，觀察了從解離形成陽離子，兩性離子的可逆轉(zhuǎn)變和陰離子形式。解離水平主導(dǎo)了設(shè)備的電導(dǎo)，研究小組使用四態(tài)模型收集了信息，該模型描述了轉(zhuǎn)變過程，以了解與PM-β-CD相互作用時(shí)檢測(cè)不同氨基酸結(jié)構(gòu)的能力。氨基酸具有至少兩個(gè)關(guān)于羧基和另一個(gè)氨基的締合過程。記錄的狀態(tài)數(shù)越多，結(jié)果的識(shí)別就越準(zhǔn)確。

對(duì)映體識(shí)別和展望

由于對(duì)映異構(gòu)體之間的相似性，與物種鑒定相比，區(qū)分結(jié)構(gòu)更具挑戰(zhàn)性。相關(guān)的能量差很小，接近于計(jì)算誤差。為了克服這些復(fù)雜性，研究小組為每種氨基酸建立了一個(gè)獨(dú)特的“指紋數(shù)據(jù)庫”，以比較不同對(duì)映異構(gòu)體的電導(dǎo)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。然后，團(tuán)隊(duì)獲得了當(dāng)前的變化和弛豫時(shí)間數(shù)據(jù)，并將其與指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了比較。由于這種通用性，該方法還可以識(shí)別手性功能性藥物分子，從而建立一種在單分子水平上進(jìn)行生物分子檢測(cè)的廣泛方法。

這樣，劉子浩及其同事提出了一種實(shí)用的實(shí)時(shí)單分子方法在微秒內(nèi)對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)和手性的氨基酸進(jìn)行電識(shí)別?？梢栽陉庪x子，兩性離子和陽離子穿梭水平觀察到多種氨基酸的宿主-客體動(dòng)態(tài)過程。研究小組使用全甲基化的β-環(huán)糊精(PM-β-CD)復(fù)??合物，根據(jù)電流波動(dòng)范圍和熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別了不同電荷的氨基酸狀態(tài)。該技術(shù)可以徹底改變現(xiàn)有方法，以對(duì)通用的單分子基因/蛋白質(zhì)測(cè)序進(jìn)行精確測(cè)序。該方法還可以提供一種通用工具，以識(shí)別環(huán)境或生物系統(tǒng)中的許多重要分子，以了解分子水平上的生命基礎(chǔ)。