生物材料如骨骼、牙齒和貝殼是非常耐用的。它們的強(qiáng)度源于它們的成分，即由堅硬的巖石類礦物和彈性的碳基化合物如蛋白質(zhì)混合而成。材料科學(xué)家們正在從生物材料中獲得靈感，從而以開發(fā)由蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)制成的新一代先進(jìn)材料。 然而科學(xué)家們必須首先知道蛋白質(zhì)是如何在礦物表面附著和組裝的。
蛋白質(zhì)是一種關(guān)鍵類型的大型生物相關(guān)有機(jī)分子，這對地球上的生命至關(guān)重要。除了自然發(fā)生的蛋白質(zhì)，研究人員還可以定制具有特定特征、結(jié)構(gòu)和屬性的蛋白質(zhì)。這包括設(shè)計能附著在不同表面的蛋白質(zhì)--包括云母等礦物。控制和了解蛋白質(zhì)的附著是組裝先進(jìn)生物啟發(fā)材料的核心。
來自西北太平洋國家實驗室(PNNL)、華盛頓大學(xué)(UW)和勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的一個研究小組一起工作對經(jīng)過特別設(shè)計的蛋白質(zhì)納米棒如何在云母表面移動進(jìn)行了追蹤。他們的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《Proceddings of the National Academy of Science》上。該團(tuán)隊通過跟華盛頓大學(xué)的蛋白質(zhì)設(shè)計研究所合作創(chuàng)造了一系列不同大小的蛋白質(zhì)納米棒，其專門設(shè)計用于跟云母結(jié)合。然后，研究人員采用高速顯微鏡來觀察單個納米棒的實時旋轉(zhuǎn)。
華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究助理教授Shuai Zhang說道：“我們能以前所未有的分辨率跟蹤蛋白質(zhì)納米棒。我們使用的原子力顯微鏡是非常強(qiáng)大的，這使我們能夠?qū)崟r看到單個分子的運(yùn)動。”
為了準(zhǔn)確觀察蛋白質(zhì)的旋轉(zhuǎn)，研究人員不得不在水中研究蛋白質(zhì)-云母系統(tǒng)。這種環(huán)境模擬了蛋白質(zhì)在真實礦物表面組裝的條件。
了解不同的運(yùn)動
研究人員通過在顯微鏡下觀察該系統(tǒng)獲取了大量的數(shù)據(jù)。然而龐大的數(shù)據(jù)量使他們在分析方面面臨挑戰(zhàn)。對此，伯克利實驗室的團(tuán)隊通過開發(fā)了一種新機(jī)器學(xué)習(xí)算法解決了這個問題，該算法大大減少了處理圖像所需的時間。從那里，研究人員能觀察到蛋白質(zhì)移動的速度及它們每次移動時的旋轉(zhuǎn)距離。
他們的觀察顯示，這些蛋白質(zhì)大多表現(xiàn)得像預(yù)期的那樣，即通過小幅度的跳躍移動遵循可追溯至愛因斯坦的運(yùn)動模型。然而這些蛋白質(zhì)偶爾會進(jìn)行大的、快速的跳躍，而這一模型卻無法解釋。
為了弄清這些不同類型的運(yùn)動，該小組根據(jù)顯微鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。他們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)-表面鍵的能量控制著蛋白質(zhì)的旋轉(zhuǎn)方式。大多數(shù)時候，蛋白質(zhì)仍跟云母表面緊密結(jié)合，并只能做小的運(yùn)動。偶爾它們會出現(xiàn)短暫地從云母上分離。在那些短暫的時間里，蛋白質(zhì)可以快速地進(jìn)行大跳動。
PNNL的化學(xué)家Ben Legg說道：“通過比較我們的觀察數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，我們能夠識別這兩種類型的蛋白質(zhì)運(yùn)動。我們認(rèn)為，大跳動對組裝蛋白質(zhì)-礦物結(jié)構(gòu)有重要的影響。”
了解單個生物分子如何運(yùn)動可以幫助研究人員開發(fā)更好的方法以在表面組裝大量的蛋白質(zhì)。
