通过表面增强拉曼散射检测附着于银纳米颗粒基纳米复合材料上的<Discosoma>红色荧光蛋白构象变化

摘要： 蛋白质结构与功能关系的描述仍是分子生物学、生物化学、蛋白质工程和生物电子学的主要研究焦点。无论目标应用如何，当前揭示蛋白质结构与功能关系的策略都涉及蛋白质与非生物有机/无机固体表面的暴露及相互作用。准确描述其潜在机制将阐明蛋白质吸附基础问题，并有助于记录和量化蛋白质天然态在与固体表面相互作用时的构象变化。为此，基于物理的诊断方法应用既合适又需求迫切。 拉曼光谱是目前生物分子识别和单分子级超灵敏分析最常用的方法。但为克服拉曼散射截面小导致的灵敏度限制，需将生物体系与金属纳米结构耦合。通过激发局域表面等离子体共振（LSPR）可激活金属表面附近的强电磁场增强，使散射效率提升数个数量级，从而大幅扩展拉曼光谱在分子光谱、生物分子识别及单分子超灵敏分析中的应用。除传感特性外，这种强电磁增强还可用于探测光激发下的蛋白质构象变化（包括实时监测）。因此自1970年代末发现以来，表面增强拉曼散射（SERS）凭借对不同化学环境中分析物振动特征的显著增强，已成为化学与生物传感的强大可靠工具。 大量资源被投入开发基于金属纳米结构的等离子体基底，以进一步提升电磁增强效果，实现无创、高灵敏、大规模光学传感器。目前已为SERS平台开发了多种金属纳米结构形貌与排布（纳米球、纳米三角、纳米盘、纳米棒、纳米立方等）及耦合构型（二聚体、三聚体、阵列等）。但这些基底通常依赖纳米颗粒在介电表面的自发排列（主要通过化学方法实现），导致大面积分布不均、金属纳米结构与被测分子间距控制不明确、点间差异大、辐照条件下重现性与稳定性差（因光热/光降解过程）。 为克服固体SERS基底制备局限，文献提出了热蒸发、纳米压印光刻-阴影蒸发组合、气体聚集源（GAS）、脉冲激光沉积（PLD）、低能离子束合成（LE-IBS）及等离子体沉积等物理方法。公认银纳米颗粒（AgNPs）是可见光范围内放大局部电子/振动信号的最佳纳米天线，能在光学远场提供独特分子信息。相比金纳米颗粒，AgNPs因带内/带间电子跃迁干扰更小而具有更强等离子体增强效应。此外，AgNPs的使用还涉及蛋白质结构与功能的另一层面——其生物活性。由于抗菌特性，AgNPs可能影响人体健康与环境：其生物活性通过银离子（Ag+）作用及与AgNPs直接接触导致不同细胞位点蛋白质变性（尤其对呼吸链酶和转运通道敏感）。因此需要从两个不同视角研究蛋白质结构与功能关系：(i)利用AgNPs天线效应量化蛋白质构象变化；(ii)分析AgNPs极端化学生物活性诱导的蛋白质构象变化。 本研究旨在通过SERS量化银基纳米复合材料上吸附蛋白质的构象变化，深入理解蛋白质在固体表面吸附的机制。我们聚焦野生型重组红色荧光蛋白（DsRed），该天然荧光蛋白家族成员在分子生物学中用作基因表达报告分子及细胞活动的非侵入性标记物，其潜在应用还包括治疗学、组织再生、生物电子学和蛋白质工程。该家族最广泛表征的成员是绿色荧光蛋白（GFP），而新近从珊瑚Discosoma sp.克隆的DsRed蛋白具有目前已知野生型自发荧光蛋白中最长的激发/发射峰（558nm/583nm）。因其高荧光产率，红色DsRed蛋白既是理解荧光蛋白的重要模型，也是生物医学研究工具，在细胞分子生物学中广泛用于荧光显微镜标记、荧光相关光谱（FCS）和荧光激活细胞分?。‵ACS）。近期发现DsRed适用于设计超稳定可逆光开关以实现超分辨成像，且推测造礁珊瑚的荧光蛋白可能作为调节珊瑚与光合藻类共生关系的适应机制组成部分。发色团附近的构象重排会影响DsRed变体的成熟速度和亮度，因此必须研究影响蛋白质光激发能量传递能力的构象转变。 现有文献报道了DsRed蛋白构象变化研究，但仅通过化学合成模型发色团考察其拉曼指纹（后者因缺乏天然包围发色团的α-螺旋和β-折叠以及共轭π体系延伸范围不同而与野生型DsRed存在差异）。选择化学合成模型发色团的原因是溶液中红光产物产生的未成熟绿光物种会导致谱带指认不清或不完整。本研究的创新点在于使用天然态野生型DsRed蛋白而非模型发色团，且所有已有实验研究均在溶液中进行，尚无固体基底上光照条件下DsRed蛋白结构构象变化的信息。这一空白促使我们研究野生型DsRed蛋白与银基等离子体基底的相互作用，通过分析脱水DsRed蛋白层在干燥自然条件下的特性，采用等离子体工艺制备高度均匀可重复的单层AgNPs-二氧化硅复合等离子体基底，重点实现AgNPs尺寸分布与颗粒间距的大规模精确控制。由此产生的热点分布均匀性保证了该等离子体传感器的重现性与稳定性。 我们进一步展示如何利用AgNPs附近的增强电磁场检测光辐照过程中吸附于等离子体基底蛋白质的存在及其构象变化（电磁场增强因子高达10^5）。该强增强效应使我们能检测到仅80nM浓度的非连续DsRed蛋白溶液层拉曼信号，识别出三种不同的DsRed蛋白在等离子体基底上吸附脱水后的构象。研究发现吸附蛋白质的发色团结构在与光束相互作用时经历光辅助化学转化，导致三种构象间的可逆转变。所提出的时间演化情景支持蛋白质结构与功能关系的动态特性，并证实像DsRed这类具有强内部相干性的蛋白质构象变化具有可逆性。