成功拍下“高清靚照”

解開困擾該領域多年的難題

近日

華南理工大學林志偉教授團隊

取得重要研究進展

他們通過改進高分辨液相原子力顯微鏡技術

首次揭開了DNA在單壁碳納米管（SWCNTs）上

纏繞構象的神秘面紗

明確了特定 DNA 能在 SWCNTs 上

形成有序的左旋纏繞構象

揭示了DNA為SWCNTs賦能的分子機制

為相關科研領域打開了一扇新大門

霧里看花——

一場持續20余年的挑戰

單壁碳納米管（SWCNTs）

憑借其卓越的電學、光學及力學性能

廣泛應用于電子器件、光學儀器、

疾病檢測、能量儲存等領域

但是，常規SWCNTs中包含幾十上百種不同手性的組分。科研人員需要采用DNA這一工具，將它當作一把把特制的 “鑰匙”，來分選單一手性的 SWCNTs。通過DNA與SWCNTs的復合，形成具有獨特性能的復合物，在生物傳感、疾病檢測、智慧農業和量子材料等領域展現了巨大的應用潛力。

遺憾的是，DNA在SWCNTs上的具體構象一直未能被揭示。相關研究自2003年開始進行，但始終未能取得突破性進展。看不清長什么樣子，人們就沒法深入理解DNA給SWCNTs “賦能” 的機制。要想進一步設計出能分選單一手性 SWCNTs 的 “可識別 DNA 序列”，還有高性能生物傳感器，更是成了空想。

此前，高分辨液相原子力顯微鏡（AFM）是破解這一難題的最可行辦法之一，可它也面臨著不少挑戰。首先，DNA 是纏繞在 SWCNTs 的曲面外壁上的，使其結構變得非常復雜、難以探測。而且AFM 探針的曲率半徑，比 DNA 的特征結構大很多，這也大大增加了探測難度。此外，DNA 和 SWCNTs 在壓力下都會變形，AFM 探針輕輕一壓，哪怕只有微小的變形，DNA 的真實結構特征就看不清了。

向左，向右？——

“高清靚照”讓細節一覽無遺

為了解決這些難題

林志偉教授團隊采用了極軟的探針

以小振幅、高頻率

對探針施加給樣品的力進行精準調節

成功避免DNA-SWCNTs形變

從而獲得高分辨率的DNA構象信息

首次在實驗上實現了DNA-SWCNTs結構的精確解析

DNA在單壁碳納米管上有序纏繞結構的構筑和表征

團隊使用該方法，對一種典型的DNA-SWCNT復合物樣本進行了結構解析，并用冷凍電子顯微鏡進行了驗證，獲得了一致的驗證結果。值得注意的是，冷凍電子顯微鏡無法確定螺旋結構是左旋還是右旋，然而團隊采用的新方法，卻可以清晰地揭示螺旋結構的旋向特征，給纏繞在SWCNT上的DNA拍下了完美的“高清靚照”。

乘勝追擊——

設計出具有特定性能的傳感器

研究還發現

經過可識別序列提純的DNA-SWCNTs復合物

在生物傳感領域性能優異

例如，團隊采用三個具有不同螺距的DNA-SWCNTs，對多巴胺等四種神經遞質進行了傳感實驗，發現螺距越大，在神經遞質體系中產生的響應就越強，靈敏度就越高。實驗進一步發現，高靈敏度的傳感器并不一定具備更強的分辨能力，反而是具有適中螺距的傳感器能夠顯著區分四種神經遞質。這些實驗結果凸顯了DNA-SWCNTs在傳感領域的獨特性和巨大潛力。

基于精確的結構解析，團隊乘勝追擊，建立了氫鍵網絡模型（HBN），從機理上揭示了為什么DNA能夠在SWCNTs上有序纏繞。根據這一理論模型，團隊首次實現了理性設計DNA序列，并將其用于分離目標手性SWCNTs和設計具有特定性能的傳感器。

該成果以“Understanding DNA-Encoded Carbon Nanotube Sorting and Sensing via Sub-nm Resolution Structural Determination”為題發表在Science Advances上。華南理工大學前沿軟物質學院博士生李依濃為第一作者，林志偉教授為主要通訊作者，華南理工大學為第一通訊單位。相關工作得到了國家重點研發項目，國家自然科學基金，廣東省、廣州市相關項目，以及小米基金會的支持。

成果鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt9844

華南理工大學　學生記者團

文：前沿軟物質學院

圖：科研團隊提供

微信編輯：鮑恩

初審：鮑恩

二審：盧慶雷

終審：鄒浩

華工原創，版權所有

若需轉載，敬請聯絡

郵箱：hgxcb@scut.edu.cn

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