找不到输的理由: 石墨烯與全像電子顯微鏡，實現單一蛋白質攝像

2016年1月30日星期六

石墨烯與全像電子顯微鏡，實現單一蛋白質攝像

作者 Joyce Chu | 發布日期 2016 年 01 月 30 日 0:05 | 分類生物科技 , 科技教育 , 醫療科技

隨著資訊時代的到來，我們越發渴望新的知識、新的技術，對神經功能障礙、喪失長期記憶也越發恐懼。阿茲海默症又稱腦退化症，便是大腦 β-amyloid 和 Tau 蛋白質結構異常所造成的疾病，致使認知能力與身體機能逐步惡化，最終甚至導致死亡。

不過，最新的蛋白質攝像技術或許能突破過往的界限，從根本研究蛋白質結構。

▲ 正常大腦（左）與阿茲海默症患者大腦（右）。（Source：wikipedia）

目前的蛋白質攝像使用 X 光散射晶體學（X-ray crystallography），先將蛋白質集結製成晶體後，再以 X 光散射圖觀察晶體之電子密度分布，最後分析得到各原子的位置與彼此的化學鍵強弱。

▲ X 光散射晶體學流程圖。（Source：sdsu）

但 X 光散射晶體學觀察的畢竟是無數蛋白質分子製成之結晶，求得的結果也只是平均值，難免不慎清晰；況且有許多蛋白質無法形成結晶，其中包括在生物體內十分重要的膜蛋白類。於是，瑞士蘇黎世大學的 Longchamp 博士與其研究團隊著手研發拍攝單一蛋白質影像的方法。

單一蛋白質攝像有 3 個主要的挑戰：首先，與以往結晶散射不同的是，我們得將單一分子的蛋白質分離純化，以便後續觀測。然後，我們需要能夠固定這一分子蛋白質的技術，爭取足夠時間解析其構造。最後，用以攝像的輻射能量不可過高，以免導致蛋白質分解，波長又必須短到足以呈現蛋白質的細部結構——這時，低能全像電子顯微鏡（low-energy electron holographic microscope）便派上用場了。

▲ 低能全像電子顯微鏡攝像原理。（Source：genengnews）

低能全像電子顯微鏡的優點，在於其低能電子不傷害蛋白質，然而這些低能電子的穿透力也較弱，唯有將蛋白質溶液噴灑在石墨烯（graphene）薄層才得以觀測。石墨烯是由碳原子組成的超薄材質，只有一層原子的厚度卻能像塑膠一樣摺疊，而且比鑽石強韌，導電力優於銅與金；它的發現讓 Geim 與 Novoselov 於 2010 年獲得諾貝爾物理獎。