第一作者：Weixiang Ye、Markus G?tz
通訊作者：Carsten S?nnichsen、Thorsten Hugel
通訊單位：美因茨大學（德國）、弗萊堡大學（德國）
2018年諾貝爾物理獎得主Arthur Ashkin教授發明的光鑷（Optical Tweezer）技術引起了物理學研究的大爆發，讓科學家們得以精確地量單分子的動力學過程。這項技術結合2017 年諾貝爾化學獎冷凍電鏡 (Cryo-EM) 技術，讓科學家可以通過結合生物分子的結構信息及其動力學過程對其的生物學功能進行更準確的分析，然而光鑷需要對研究的分子施加拉力，使其難以長期測量單分子的動力學過程。
有鑒于此，來自德國美因茨大學的葉巍翔博士、其導師Carsten S?nnichsen教授以及弗萊堡大學的Markus G?tz博士、Thorsten Hugel教授等人發明了新的納米尺技術-表面等離子共振納米尺（plasmon ruler）。
圖1 表面等離子共振納米尺示意圖
這項技術可以讓科學家以視頻速度（50赫茲）來在線記錄超過24小時的單分子的動力學過程。葉巍翔博士將兩個金納米天線與正在研究的單分子結合起來，并在激光束和全自動暗場顯微鏡的幫助下觀測金納米天線的距離變化從而觀測單分子的動力學過程。
如圖所示，黑色背景上的星空是在暗場顯微鏡觀測的納米尺真實圖像，黃色的點是靠的比較近的兩個納米天線，綠色的點是離的比較遠的納米天線。左上角的是納米天線距離變化時的光譜變化，右上角是熱休克蛋白Hsp90鏈接在納米天線上的示意圖。圖片下方的方波圖是熱休克蛋白Hsp90結構變化時納米天線的顏色變化。
這種金納米天線在暗場顯微鏡下看起來就像黑夜中的星星一樣，它們的散射光的波長或者說顏色取決于它們之間的距離耦合。把單個分子連在兩個納米天線之間，單分子的結構變化會帶動納米天線的距離變化，從而導致其色的變化。
這個新的納米尺不需要施加外力即可觀察單分子的結構變化，納米天線的散射光也不會產生漂光效應，它類似天空中小微粒的瑞利散射。這個納米尺的穩定性使得科學家可以長期地察單分子的結構變化，它將先前可實現的其他單分子測量技術的范圍擴展了幾個數量級（如光鑷的測量時間和距離），并且可以解決全新的問題，例如可以測試單個分子是否具有記憶性，或者具有相同化學結構的蛋白質是否在長時間內的動力學表現相同。
十多年前，葉巍翔博士的導師Carsten S?nnichsen教授及其好友Thorsten Hugel教授在伯克利大學進行博士后研究時，受光鑷技術啟發，有了新的技術構想，充分奠定了表面等離子共振納米尺技術的基礎。而后，Carsten S?nnichsen教授和Thorsten Hugel教授兩個團隊通力協作，該技術的發明可喻為兩個團隊研究成果的完美結晶。
葉巍翔博士為該項目開發設計了全新的測量儀器-全自動暗場顯微鏡。這個儀器使得這個研究成為可能，例如，將24小時采集的超過80 TB的數據用稀疏矩陣及算法在線減少到4 GB，這樣使得這臺儀器可以在普通計算機上進行正常工作。Thorsten Hugel教授實驗組的Markus G?tz為這項技術合成目標分子-熱休克蛋白Hsp90，這是一個對人體極為重要的分子，它幫助著人體內的許多蛋白進行正常工作，如果Hsp90不正常工作，人可能會患上癌癥，所以研究Hsp90的動力學過程極為重要。
總之，這項技術有望取代諾獎成果光鑷成為下一代的分子尺。目前最大的阻礙是儀器太過昂貴，因此葉巍翔博士正在進行新的儀器研究來減少儀器的建設成本，讓這項技術能真正的推廣開來。
參考文獻：
Ye W, G?tz M et al. Conformationaldynamics of a single protein monitored for 24 hours at video rate[J]. Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03342
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03342?ref=highlight
