暑期科研進展

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MBL實驗室張曉兵教授團隊在活細胞內酶原位成像研究領域取得進展

對細胞內相關蛋白酶的原位成像檢測具有非常重要的生物醫學意義。過去幾十年中，小分子熒光探針已經廣泛用於細胞內各種酶活性的檢測與成像研究。然而，已有的熒光探針大多是基於水溶性熒光染料，與酶作用後產生的熒光信號分子會快速擴散遠離酶的反應位點，很難捕獲細胞內相關酶的原位信息。日前，由我校化學生物感測與計量學國家重點實驗室、化學化工學院和生物學院共同建設的「分子科學與生物醫學實驗室（MBL實驗室）」張曉兵教授研究團隊，開發出新型適用於商業激光共聚焦顯微鏡的固態發光熒光染料，並進一步構建了酶熒光成像探針，實現了活細胞內鹼性磷酸酶活性的原位成像檢測。

相關研究成果以「In Situ Localization of Enzyme activity in Live Cells by a Molecular Probe Releasing a Precipitating Fluorochrome」為題發表於國際頂尖化學期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 影響因子11.994）。

據文章報道，新開發的熒光染料在溶液中無熒光，具有極強的疏水性和固態熒光，其最大熒光激發/發射波長分別位於410 / 550 nm，適用於現有的商業激光共聚焦顯微鏡。且可以通過調控染料上面的羥基來實現其熒光信號的「開-關」。進一步合成的鹼性磷酸酶探針具有靈敏度高，選擇性好等優點。該探針能夠解決傳統水溶性探針信號易擴散、衰減的問題，從而可實現鹼性磷酸酶的原位成像檢測。該探針還被成功應用於成像檢測骨肉瘤細胞及組織中鹼性磷酸酶的活性。這一新型固態發光成像探針的開發，展現了固態發光熒光染料在蛋白酶原位成像檢測上的巨大優勢。

化學化工學院博士研究生劉紅文為論文第一作者，該研究得到了國家自然科學基金委、教育部、科技部、湖南省科技廳等部門的科研經費資助。

文章鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/anie.201705747/abstract

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MBL實驗室成功合成光響應鹼基並原創性提出分子元素概念

我校化學生物感測與計量學國家重點實驗室、化學化工學院和生物學院譚蔚泓院士所領導的「分子科學與生物醫學實驗室（MBL）」在《Journal of the American Chemical Society》（影響因子13.858）上發表研究論文"Artificial Base zT as Functional 「Element」 for Constructing Photoresponsive DNA Nanomolecules」，設計合成了新型人工鹼基zT，作為構建光相應DNA納米分子的功能「元件」。

鹼基是生物體內核酸複製、遺傳信息傳遞的關鍵部分：DNA雙螺旋結構是通過鹼基A-T、C-G之間特異性配對自組裝形成的，在DNA複製過程中，螺旋雙鏈的解開是在酶的作用下進行的（圖1a）。尋找DNA雙鏈形成與解開的控制方法，不僅是重大的基礎科學問題，在生物醫藥與納米材料等領域也具有重要應用價值。通過不同波長的光波照射，實現控制雙鏈的形成與解開，具有操作簡便、適用性廣等特點（圖1b）。

圖1 a) 生物體內酶作用下DNA雙鏈的解開與形成

b) 光控制的DNA雙鏈的解開與形成

我校MBL課題組的王若文博士和金程同學等將具有光響應的偶氮苯基團，作為串聯DNA側鏈磷酸骨架與鹼基T之間的分子開關，設計了新鹼基zT，該鹼基具有反式（trans-zT）與順式（cis-zT）兩種構型，trans-zT可與天然鹼基特異地形成鹼基配對、實現自組裝形成DNA雙鏈結構，而cis-zT由於官能團方向變化，不能形成配對。trans-zT與cis-zT之間的異構可通過不同波長的光照實現轉化（圖1b）。

研究結果表明，trans-zT不僅可與天然鹼基A特異性配對，而且通過trans-zT-A形成的雙鏈結構比天然A-T雙鏈結構更穩定。該雙鏈的形成與解開可分別通過可見光（Vis）與紫外光（UV）照射進行控制，並且能多次循環解開、閉合。

該文中，譚蔚泓教授還提出了具有原創性的概念：分子元素（Molecular Element）。元素是化學的基石、是構成化合物的基本單元。分子元素是指根據功能需求而設計的類似核苷酸的分子基元，這些分子基元核苷酸中的鹼基可以是任意的與核糖或修飾核糖的C-1通過β糖苷鍵連接而成的活性有機化合物。利用設計合成的分子元素，我們可通過磷酸二酯鍵將這些分子元素順序連接構造一個寡聚類核酸分子。由於這種寡聚類核酸分子的鹼基可以包含任意功能的有機分子單元，可以實現各種特定的分子識別、催化以及智能響應等功能，從而極大地擴展天然核酸分子的功能，是一種超核酸的功能分子。

論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/jacs.7b02865

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譚蔚泓教授課題組在JACS發表環形核酸適體相關研究成果

我校化學生物感測與計量學國家重點實驗室、化學化工學院和生物學院譚蔚泓教授所領導的「分子科學與生物醫學實驗室（MBL實驗室）」在《Journal of the American Chemical Society》（影響因子13.858）上在線發表研究論文「Circular bivalent aptamers enable in vivo stability and recognition」，設計了一種環形核酸適體，與之前的適體相比較，有更穩定的熱性能，更高的親和力、識別性、抗降解性以及更快的速度，對於腫瘤識別、積聚和保留方面更有優勢。

圖1：實驗示意圖

核酸適體，是利用體外篩選技術（SELEX）從核酸文庫中篩選出來的一類功能性核酸分子。適體因為其親和力高，特異性和定向性強，以及滲透腫瘤速度快的特性在分子影像和癌症的靶向治療中得到了廣泛應用。但因為核酸適體往往由一段寡核苷酸序列組成，這種小片段結構在提升了核酸適體的結構靈活性的同時，也增加了它的不穩定性，比如易被酶降解，結合能力易受限，這些不利因素限制了核酸適體在治療領域的應用。

圖2：核酸適配體成環前後在動物體內靶向效果對比圖

針對這些局限性，譚蔚泓教授課題組優化了核酸適體結構，利用兩條核酸適體鏈成環而形成環形核酸適體。該環形結構一方面通過封閉單鏈核酸適體上暴露的鹼基末端提升了核酸適體抗酶切性能，另一方面穩定了核酸適體的二級構象，增強了核酸適體與靶標的結合能力。優化後的核酸適體在體外表徵中顯示出了其性能的增強，並在動物活體實驗中得到進一步的驗證。該項工作拓展了核酸適體在體內應用的範圍，並證明了核酸適體在臨床上的潛在應用，有望更簡便有效地發展適於癌症診斷和治療的分子探針。

論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b04547

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MBL實驗室研究獲新進展：白蛋白砒霜智能納米藥物用於慢性白血病治療

三氧化二砷（As2O3, ATO, 俗稱砒霜），一種經典的劇毒中藥，現已成為全球治療急性早幼粒細胞白血病（APL）白血病的標準藥物之一，其治療完全緩解率高達83-95%。鑒於砒霜治療APL的有效性，廣大科學工作者致力於探索與拓展ATO用於其它惡性白血病（如慢性髓性白血病CML）和實體瘤的治療。然而，ATO在非APL癌細胞中富集能力弱，高劑量的治療模式會引起神經損傷和肝功能衰竭等嚴重毒副作用，因此大大限制了ATO在其它癌症中的臨床應用。

針對這一難題，我校化學生物感測與計量學國家重點實驗室、化學化工學院和生物學院共同建設的「分子科學與生物醫學實驗室（MBL）」基於ATO易與遊離巰基形成AsIII-S鍵的化學性質，利用還原劑將葉酸-人血清白蛋白（FA-HSA）的雙硫鍵打開，然後與ATO孵育，發展了葉酸受體靶向的FA-HSA-ATO納米藥物。相關成果發表在Angewandte Chemie International Edition, 2017, DOI: 10.1002/anie.201701366.

該納米藥物具有以下幾個優點：（1）製備簡單，且具有良好的生物兼容性；（2）弱酸性和胞內谷胱甘肽響應的ATO釋放，減少了ATO的非特異性分布；（3）有效地誘導CML腫瘤細胞葉酸受體表達，增強納米藥物在CML腫瘤細胞中的富集。

基於FA-HSA-ATO納米藥物的上述優點，該納米藥物能顯著抑制K562移植瘤的生長，延長帶瘤裸鼠中位生存期，同時有效減少ATO在治療中的毒副作用。該工作為拓展ATO在慢性髓性白血病和其他腫瘤的臨床應用提供了新的方法和思路。目前該課題組正在進行進一步的研究，爭取開發相關的臨床應用的治療方案。

文章鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201701366/full

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「瓷絕緣子紅外精確測零新技術」科研成果獲國家電網公司推廣應用

8月10日，由國家電網公司運檢部主辦，國網北京市電力公司承辦的電網設備狀態檢測新技術會議在北京舉行。大會以「探索狀態檢測技術，助推智能運檢發展」為主題，邀請了清華大學、華北電力大學、上海交通大學、西安交通大學、南京大學、重慶大學、湖南大學、中科院電工所、中國中車、北京航天十三所以及國網公司27個省市運檢部、檢修公司、電科院等單位的共計150餘位領導和專家參加。大會關於電網設備狀態檢測新技術研究與應用工作總體情況的報告，對於湖南大學姚建剛教授團隊所研發的高壓瓷質絕緣子紅外精確測零技術給予了高度評價，明確指出「瓷質絕緣子紅外精確測零技術具有較好的技術優勢和應用前景，可以推廣應用」。

會上，國網江西省電科院張宇主任作了題為《懸式瓷絕緣子紅外測零技術》的工作彙報，指出「國網江西省電力公司聯合湖南大學、湖南湖大華龍電氣與信息技術有限公司等單位經過十餘年刻苦技術攻關，以紅外熱像技術為基礎，融合人工智慧、數據挖掘、圖像處理等多學科知識，完成了懸式瓷絕緣子紅外測零新技術的研發，並開發了一套手持攜帶型絕緣子檢測系統，實現了劣化絕緣子的自動檢測與識別，顯著提高了絕緣子紅外檢測的準確率和效率。已在江西、浙江、湖南、冀北、江蘇、天津等省市累計檢測110-1000kV變電站瓷質絕緣子150餘萬片，成功檢出劣化絕緣子1000餘片，有效減少了電網安全運行隱患，產生了顯著的經濟效益和社會效益」。該發言得到了與會領導和專家一致的認可與肯定，反響熱烈。

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機械院段輝高教授課題組在新型動態顯示研究取得進展

「當我畫太陽時，我希望使人們感覺到它是以一種驚人的速度旋轉著，正在發出威力巨大的光和熱的浪。當我畫一塊麥田時，我希望人們感覺到麥粒內部的原子正朝著它們最後的成熟和綻開而努力。當我畫一棵蘋果樹時，我希望人們能感覺到蘋果裡面的果汁正把蘋果皮撐開，果核中的種子正在為結出自己的果實而努力」——荷蘭畫家溫森特·梵高的作品以極強的時間畫面感震撼了無數的藝術愛好者。然而，油畫本身並不會隨著時間的推移，演繹一幅幅的畫面。

我校機械與運載工程學院段輝高教授同德國馬普智能研究所Na Liu教授展開合作，基於其課題組前期開發的高分辨結構色無油墨彩色列印技術，結合德國馬普所團隊的智能金屬材料，動態重現了梵高這幅著名的作品——《星空》，相關工作發表在納米科技頂級期刊Nano Letters上。

結構色全彩印刷

基於衍射、干涉或散射的結構色無油墨彩色列印技術在高分辨彩色顯示、濾色器、高密度光學數據存儲、商業化的防偽及數據加密中有著重要的應用。相比於傳統的油墨染料列印，結構色擁有高分辨、環境友好、不易褪色等優點。在結構色的設計方案中，基於等離激元納米結構的高分辨彩色列印是結構色的主要研究方向。等離激元彩色列印以不同大小和形狀的金屬納米結構為像素單元，利用金屬內部的等離激元共振可選擇性地增強光的散射和吸收，從而實現顏色的產生。

正是基於此原理，2012年，段輝高教授等人通過金/銀納米結構實現了10萬dpi的高分辨無油膜的全彩列印。但貴金屬的使用限制了其廣泛的應用。2015年，新加坡J. K. W. Yang博士等科研人員將低成本、化學性質穩定的金屬鋁應用到等離激元高分辨彩色列印中，清晰地微縮重構出莫奈的名畫《日出·印象》。基於金屬鋁的等離激元彩色列印提供了一種更為實用化的無油膜彩色列印的方案，而在實際應用中動態的像素可攜帶更多的信息，因而具有更廣泛的應用前景。

基於此背景，2017年，德國馬普智能所的Na Liu教授研究團隊運用智能金屬材料鎂的催化氫化及脫氫反應實現了等離激元結構色的動態調控。這種設計不僅具有極高解析度，同時還可以應用於高密度信息存儲。但是，這種基於鎂的等離激元結構色存在色彩飽和度差、色域窄等不足。

智能結構色器件設計

為了提高結構色的純度並擴展其色域，2016年，段輝高教授課題組基於納米精度的灰度台階加工，在金屬鋁（Al）鏡上實現像素化的多厚度法布里-帕羅共振腔（FP腔），利用不同介質厚度FP腔選擇性消光的物理原理，實現了廣色域、高純度的高分辨全彩列印，同時將梵高著名的《向日葵》作品微縮至頭髮絲大小的尺度並能清晰地重現。在此基礎上，近日，段輝高教授課題與德國馬普智能所Na Liu教授課題組展開國際合作，將智能金鎂/鈦/鈀智能金屬層沉積在多台階的FP腔表面，實現了基於結構色的可動態調控彩色顯示器件。

器件的工作原理如圖1所示：在未氫化的情況下，由於沉積的金屬鎂將入射的可見光全反射回去，故整個畫面呈現為白色。當器件置於氫氣氛圍時，在金屬鈀的催化下，氫分子變成氫原子，並與金屬鎂結合發生氫化反應形成透明的氫化鎂（MgH2）介質，進而金屬鎂由全反射態轉變成透明的MgH2介質態，形成對特定波長吸收的FP腔，從而實現顏色的效果。同時，顏色也可以通過引入O2而逐漸褪去，這是因為介質MgH2遇到O2發生脫氫反應又變回金屬Mg狀態，畫面回到全白狀態。

圖 1. （a）為基於多台階的FP腔動態彩色顯示器件的示意圖；（b）為該器件的工作原理圖。

全彩色動態顯示

基於上述的彩色列印原理，實現了梵高著名的《星空》時間演繹。在未通入H2時，這個畫面主要以黑白色調描繪的近處的樹木及遠處的山脈、房屋，天空一片空白。當有H2引入，整個畫面逐漸開始出現顏色，天空逐漸變成藍色，旋轉的雲彩及月亮逐漸顯現，隨著H2通入時間的延續，整幅畫面的顏色純度逐漸提高，直至達到飽和不再發生變化。在逆過程中通入O2，整幅星空又逐漸恢復到黑白色調的素描畫面。作為一種全新的顯色概念，該技術在動態顯示元件、智能汽車玻璃、高端防偽等領域有望得以應用。

本研究的樣品加工依託我校微納加工公用平台完成，並得到了中國國家自然科學基金委面上項目、汽車車身先進設計製造國家重點實驗室自主課題、德國洪堡基金會Sofja Kovalevskaja基金項目、歐洲科學研究委員會基金等項目的支持。我校為成果的第一完成單位，德國海德堡大學、德國馬普智能研究所作為合作單位參與了本研究。

原始論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b02336.

來源 / 湖南大學新聞網

編輯 / 劉清心

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