热点;nsored有限公司内容由布鲁克纳米表面和计量思想领袖Francesco Simone rugger剑桥大学化学系
在这次采访中，来自剑桥大学的Francesco Simone Ruggeri向News-Medical - Life Sciences讲述了他们对生物分子的研究，以及帮助实现单分子尺度光谱的方法。
我是一名物理学家，我毕业于意大利，获得固态物理和材料科学硕士学位，研究光伏材料的特性，这与我目前的生物科学研究有很大的不同。毕业后，我决定研究物理学中的应用问题，在瑞士洛桑开始攻读博士学位，用原子力显微镜和一般应用物理方法研究蛋白质的错误折叠和聚集。在这里，我专注于研究神经变性的复杂问题。
我的研究是在物理学和生物学的交汇处。物理部分涉及纯原子力显微镜和生物物理方法，生物学重点涉及研究神经变性的分子基础。博士毕业后，我去了英国剑桥大学，在错误折叠疾病中心工作，那里有大约100名来自不同背景的科学家——从生物学到物理学和化学——正在研究蛋白质错误折叠和聚集的问题，这被认为是与神经变性相关的基本过程之一。
总的来说，我的道路是从物理学开始的，然后我进入了生物学，后来进入了光谱学，在此过程中我一直在研究化学。
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当今社会，有几个复杂的大挑战需要解决，如人类疾病和神经变性。人们普遍认为，跨学科的方法是解决这些问题的核心。当生物科学和纳米技术在20世纪兴起时，人们对能够在纳米尺度上“看到”生物分子感到非常兴奋。
然而，这种形态信息是不够的，人们意识到，为了了解一个生物分子如何在我们的大脑或我们的身体中工作，有必要了解它的功能是如何与它的结构和化学性质相关的，这些结构和化学性质决定了它们的生理功能。
有人曾经说过，蛋白质是身体舞台上的演员，但为了让每个演员都扮演正确的角色，必须很好地定义它的结构和化学性质。
我研究的主要焦点之一是利用单分子方法揭示神经变性的分子基础。这些疾病与我们大脑中蛋白质的构象变化(错误折叠)有关(这些蛋白质具有一定的结构和化学性质)。这种变化导致了一个聚集过程，这个过程是非常不均匀的，这导致了几种淀粉样蛋白低聚物和纤维状物质的形成，它们具有短暂的、不均匀的和纳米级的性质。
目前尚不完全清楚哪些淀粉样蛋白物种与毒性有关，哪些淀粉样蛋白物种参与了导致神经变性的分子机制，因此有必要在纳米尺度上逐一表征这些物种，以了解哪一种可能是毒性的假定原因。为此，你需要成像。
然而，如前所述，只看它们的形态是不够的，还需要在单分子尺度上了解它们的化学和结构性质。这就是为什么纳米级化学成像和光谱学对我的研究既有用又必要。
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大约五年前，我们开始使用nanoIR1系统(Bruker/Anasys Instruments)探索红外纳米光谱学在生物学中的应用，以证明它能够研究聚集蛋白质的这种异质性。我们首次在单聚集体尺度上证明了蛋白质在淀粉样蛋白形成过程中所经历的分子结构变化。
然而，在当时，该技术只能测量最小尺寸为100或200纳米的大型超分子聚集体。此外，它只能获取空气环境中的结构和化学信息。
今天，我们已经将纳米级化学成像和光谱学的界限推进到纳米级的单分子，仍然在空气环境中。然而最近，我们也证明了该技术已经能够在液体环境中获得纳米级的化学信息，这是一个更适合研究生物分子过程的生理环境;从而为在纳米尺度和生理条件下的生物学观察打开了一个新的无标签窗口。
研究生物分子过程的棘手之处在于，在大多数情况下，它们发生在纳米尺度上。所涉及的生物分子具有纳米级的内在尺寸，因此用传统的显微镜方法很难看到它们。用体谱法研究它们也很困难，因为它们不仅具有纳米尺度，而且是异质的。
显微光谱学具有有限的空间分辨率，一般来说，显微技术不允许我们检索单分子物种的信息——它只能提供种群平均水平的信息，这不足以揭示详细的生物分子过程。
近年来，有许多纳米光谱技术试图在纳米尺度上表征生物系统的化学性质。然而，目前在灵敏度、高光谱可靠性和易于解释之间存在权衡。
基于这种权衡，我们可以将目前最先进的方法分为两类:散射方法，它具有丰富的极端灵敏度，但往往受到高光谱复杂性和可重复性的限制，并且需要复杂的建模来检索化学信息;另一方面，热机械方法，如红外吸收纳米光谱学(AFM-IR)，可以直接和纯粹地测量样品的红外吸收，并确保高光谱的再现性和解释。
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然而，迄今为止，红外吸收纳米光谱的灵敏度受到限制，因为在热机械检测的基础上存在理解原理的困难。此外，该技术在尖锐尖端和沉积蛋白质的底物之间的金属纳米间隙处使用了场增强，但迄今为止，理解这种场增强如何影响测量一直很困难。
已有文献报道，利用金属纳米隙可以增强电磁场，从而提高纳米级化学方法的灵敏度。此外，如前所述，红外纳米光谱学是一种基于热机械的方法。
如果表面有蛋白质，这意味着什么?在这种情况下，如果我们以正确的频率发送红外光，它将被样品吸收。这种吸收引起化学键的振动，这种振动以热量的形式消散，从而引起蛋白质的热膨胀。
对于单个蛋白质，这种热膨胀非常小，我们使用原子力显微镜探针的尖端，它与样品接触，来测量它。可以证明，测量该膨胀的探针的响应与红外吸收成正比。
有两个主要因素限制了这种方法达到单分子尺度的能力。第一个是能够测量这种膨胀，第二个是能够保存(而不是破坏)蛋白质，因为它的顶部有一个非常硬的尖端。
为了解决这些问题，我们首先开始研究蛋白质和表面之间金属纳米间隙的场增强如何影响测量的信噪比。通常人们会认为拥有更高功率的激光会导致更高的信噪比，因为你增加了更多的增强。但是我们发现，过多的激光功率反而会导致与样品接触的尖端产生较大的振荡，最终导致非线性并破坏样品。通过完全降低激光功率，我们的目标是避免破坏这种非常柔软的蛋白质，并保持信号的线性。
然后，我们还研究了如何调整悬臂的机械共振以增强该信号。人们已经知道，如果将红外激光器调谐到与悬臂振荡相同的频率，就有可能增强信号。我们发现，我们需要将测量的频率降低一点，以便对蛋白质更敏感，而对周围的金不那么敏感，从而增强磁场。
振动光谱学或微光谱学具有几微米量级的典型空间分辨率，而单个蛋白质的尺寸在一到十纳米量级。传统的体振动微光谱学无法研究单个蛋白质，因此我开发了非共振，短脉冲和低功率红外吸收纳米光谱学(ORS-nanoIR)，以解决使用nanoIR2系统(Bruker/Anasys Instruments)的这一技术差距。
该方法使我们能够准确地获得单蛋白分子水平的化学图谱和光谱。然后，对它们酰胺带I的形状和位置的研究使我们能够非常准确地表征它们的二级结构。ORS-nanoIR和一般的热机械检测的主要优点是，我们获得的红外光谱是样品吸收光的直接测量。这意味着我们只是直接测量红外吸收，没有任何散射效应。
二级结构表征是神经退行性疾病研究的重要内容。例如，阿尔茨海默病或帕金森病的发病与患者大脑中蛋白质的错误折叠有关，导致它们的二级结构聚集和改变。这种变化导致蛋白质功能的丧失或其他生物分子的隔离，进而破坏生理行为和途径。
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生物分子过程是基于生物分子的结构、化学状态和功能之间的关系，以及这些状态在生物分子相互作用过程中如何变化。如果你想想细胞的功能，有上百个生化过程是由脂质膜和囊泡、蛋白质和核酸调节的。有必要了解这些过程是如何在单分子水平上发生的。
ORS纳米ir将使我们第一次能够直接表征这些过程。到目前为止，还没有一种技术能够在单分子尺度上如此详细和高通量地表征化学相互作用。ORS-nanoIR技术为在单分子纳米尺度上观察生物分子的结构和化学性质开辟了一个全新的生物学领域。
目前最先进的技术已经在空气环境中达到了单分子的灵敏度，我们也能够在液体环境中进行测量，但这仍然是与五年前的技术相似的分辨率——在几十纳米的范围内，而不是在单分子尺度上。
一个基本的进步将是成功地将红外纳米光谱学应用于生物科学，以便在液体环境中实现单分子检测。我计划在我未来的研究中使用nanoIR3流体AFM-IR系统(Bruker)来解决这个问题。
在我的研究计划中，我同样关注红外纳米光谱的技术发展和在生物科学和生物材料中的应用。
例如，我应用红外纳米光谱学来表征创新的功能性人工生物膜。此外，我最近证明了红外纳米光谱可以成功地研究一个非常有趣和新颖的生物现象，这是蛋白质液-液相分离的过程。
直到几年前，人们还认为细胞内的每个细胞器都被脂质膜包围着，但现在很清楚，有细胞器能够在不需要脂质膜的情况下解决其生理功能，并通过液-液相分离进行组装。我未来研究的主要目标之一是利用纳米尺度的化学和结构分辨率来揭示生理液体环境中液-液分离的分子机制。
此外，我计划将我最初的方法从体外样本扩展到离体人体活检，以识别患有阿尔茨海默病和帕金森病的患者大脑中的蛋白质聚集体。然后，例如，我们可以使用包含在纳米级局部化学光谱中的光谱化学信息作为疾病的生物标志物。
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在外人看来，我的研究重点是蛋白质自组装和神经退行性变，我们对红外纳米光谱学的使用似乎主要基于当前的应用，几乎没有发展。然而，单分子灵敏度的证明已经表明，为了解决非常复杂的问题，我们需要显著推进我们的技术。
然而，这并不总是很清楚，因为我们的科学成果大多与跨学科工作有关，并且非常实用。我想让更多的人知道，为了解决生物科学中的基本问题，我们现在必须不断扩大原子力显微镜和纳米光谱学的能力。
我目前在剑桥大学的错误折叠疾病研究中心工作。我最初的研究计划的重点是在化学和生物学的界面上开发和应用新的物理方法，以阐明神经退行性疾病发病的分子过程，并研究用于生物医学应用的功能性生物材料。
在我的研究中，我不断推动现代生物学和物理学的分析方法的边界，以研究纳米尺度上复杂和异质的生物样品和生物材料。我在扫描探针显微镜，表面科学，光谱学，数据分析，图像处理和单颗粒表征方面拥有深厚的专业知识。
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