（文章转载自EurekAlert!，原刊于2024年1月4日）

香港科技大学（科大）领导的研究团队成功研发出一种光学等离子体镊子控制的表面增强拉曼光谱（SERS）平台，利用光的开关控制，以单分子水平探测混合物中不同的胰岛类淀粉蛋白质物种，揭示pH影响下胰岛类淀粉蛋白的异质结构，以及与第2型糖尿病相关的淀粉样聚集机制背后的秘密。

单分子技术能够分辨每个分子的信息，通过去除整体取平均的模式获得被传统宏观表征方法掩盖的细节，革新我们对复杂性和异质性较高体系的认知。目前，单分子的实验条件通常要依靠高度稀释和/或分子固定的方法来实现，因为受到光学衍射极限的限制，探测体积难以进一步减少。然而，某些生物分子体系参与的各种相互作用在很大程度上受到浓度的影响。例如，人类胰岛淀粉样多肽（Amylin，hIAPP）是一种天然无序蛋白，缺乏稳定的二级结构，但是会受到浓度、酸碱度等环境因素调控从而产生聚集的倾向，在2型糖尿病患者中形成各种各样的寡聚体中间体和淀粉样纤维。 这些分子机制仍然未明，因为目前很难从动态转变的混合物中检测到稀有、瞬态和形式各异的淀粉样多肽物种，所以需要开发更先进的单分子研究方法。

最近，由科大化学系助理教授黄晋卿教授领导的研究团队取得了重大突破，成功开发了一种新颖的单分子平台，结合光学等离子操控和SERS测量技术，可以减少以往受到光学衍射限制的检测体积，并增强分子讯号，从而能够在生理浓度下高通量地表征受酸碱度影响的淀粉样多肽物种。

具体来说，团队建构出在两个涂有银奈米颗粒的二氧化矽微珠之间的等离子体结合点，在雷射照射下捕捉固定一个额外的银奈米颗粒，形成一个动态纳米腔，可以夹住单一或少量分子进行灵敏的SERS表征。由于光学等离子体操控和SERS现象只发生在纳米尺度的狭小空间内，因此能克服光学衍射极限，实现精确的位置控制，最小化检测体积，并同时提升SERS增强效果。此外，在溶液中，涂有银奈米颗粒的二氧化矽微珠二聚体比传统的银奈米颗粒组装体更稳定，便于在普通显微镜下看到，帮助定位等离子体结合点，提高效率和可重复性。 只要将雷射光源在「开」与「关」状态之间切换，就能有效控制光学等离子体对银奈米颗粒的操控，调控动态奈米腔的组装和解离，实现高通量取样与SERS的同时测量。

利用这个高效的单分子平台，研究团队在胰岛β细胞分泌颗粒的酸碱度pH 5.5和细胞外区域的酸碱度pH 7.4这两种不同的生理条件下，获得了大量具有统计意义的SERS光谱，揭示了各种淀粉样多肽物种的结构特征。在中性条件下，团队鉴别出两种罕见的淀粉样多肽物种，并且得到了分子动力学（MD）模拟的论证。在淀粉样聚集的早期阶段，这两种罕见物种与大量无结构的淀粉样多肽单体共存，分别具有关键的转折结构或具有短β-卷发结构和受限的C端构型。这个不同淀粉样多肽物种之间的微小平衡偏移，即使在将pH从7.4调整到5.5后，也能驱动不可逆的淀粉样发展。 因此，直接对这些淀粉样多肽物种在混合中进行结构表征，可以揭示pH对它们的分子内和分子间相互作用的影响，有助于揭示pH调控的淀粉样聚集机制，进而为了解2型糖尿病提供启示。

黄教授表示：「我们提出了一个简单易行的策略，可以同时实现减少检测体积、增强分子讯号和提高采样周转效率。这个单分子平台可以获得大量的SERS光谱作为分子快照，与透过分子动力学（MD）模拟获得的信息相媲美。透过对单分子层面的结构细节进行统计分析，我们能够重建整体的平均特性，并获得异质混合物中关于特定分子类型的出现机率和存在数量的独特洞察力，具有揭示复杂系统中隐藏奥秘的潜力。」

这项研究最近已在科学期刊《自然–通讯》上发表。

单分子平台的示意图以及基于表面增强拉曼散射（SERS）表征和分子动力学（MD）模拟的pH依赖性胰岛类淀粉蛋白的异质结构特征

科大化学系黄晋卿教授（前排）及其研究团队成员，包括时任博士后研究人员戴鑫博士（后排左）、博士生MESIAS St. Dollente Vince（后排中）和符文皓（后排右）的合照