劳伦斯·伯克利国家实验室 类胶蛋白纳米片是由类胶蛋白链自发堆积成平行排而成的单层晶体
漂浮在水中的单个纳米片被快速冷冻并通过低温电子显微镜成像，以揭示它们的原子结构
计算机建模用于将类胶蛋白结构拟合到成像数据
为类肽确定了单个原子的位置，使研究人员能够看到它们在晶格中的分子形状和组织
侧链上不同的溴原子(品红)被直接显现出来
学分:伯克利实验室 被称为“聚肽”(简称“肽”)的蛋白质样分子，作为制造各种设计纳米材料的精密构件，前景广阔，如柔性纳米片——超薄、原子级二维材料
他们可以以低成本推进许多应用——如合成的、疾病特异性抗体和自我修复膜或组织
然而，为了理解如何使这些应用成为现实，科学家们需要一种放大蛋白胨的原子结构的方法
在材料科学领域，研究人员通常使用电子显微镜来达到原子分辨率，但是像蛋白胨这样的软材料会在电子束的强光下分解
现在，美国大学的科学家
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能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)采用了一种技术，该技术利用电子的力量来观察软材料的原子结构，同时保持其完好无损
他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上，首次展示了低温电子显微镜(cryo-EM)是一种获得诺贝尔奖的技术，最初设计用于对溶液中的蛋白质成像，可用于对合成软材料中的原子变化进行成像
他们的发现对二维材料的合成具有广泛的应用意义
“我们接触的所有材料之所以起作用，是因为原子在材料中的排列方式
但是我们没有关于类蛋白胨的知识，因为不像蛋白质，许多软合成材料的原子结构是混乱的，很难预测，”尼塔什·巴萨拉说，他是伯克利实验室材料科学部的高级教师科学家，也是加州大学伯克利分校的化学工程教授，他是这项研究的共同负责人
“如果你不知道原子在哪里，你就是瞎了眼
我们使用冷冻电磁技术对类肽进行成像，这将为在原子尺度上设计和合成软材料开辟一条清晰的道路
" 仔细看看软性材料 在过去的13年里，巴尔萨拉通过伯克利实验室的软物质电子显微镜项目，一直致力于在原子尺度上对软材料成像
在目前的研究中，他与罗纳德·诸葛漫合作，罗纳德·是伯克利实验室分子铸造厂的一名高级科学家，他在大约30年前首次发现类肽化合物，以寻找新的聚合物——由称为“单体”的小分子单元的长而重复的链组成的材料——用于靶向药物治疗
“这项研究来自伯克利实验室多年的研究
“制造一种材料并观察原子——这是我职业生涯的梦想，”诸葛漫说，他和巴尔萨拉共同领导了这项研究
与大多数合成聚合物不同，类肽具有精确的单体单元序列，这是生物聚合物(如蛋白质和脱氧核糖核酸)的共同特征
像天然蛋白质一样，类蛋白胨可以生长或自组装成特定功能的不同形状——如螺旋、纤维、纳米管或薄而平的纳米片
但与蛋白质不同，类肽的分子结构通常是无定形的，不可预测的——就像一堆湿面条
解开这种不可预测的结构一直是材料科学家的障碍
用冷冻电镜固定类肽 因此，研究人员转向冷冻电磁技术，该技术在微秒内将蛋白胨冷冻到大约80开尔文(或零下316华氏度)的温度
超低温电磁锁定了薄片的结构，也阻止了电子破坏样品
为了保护软材料，低温电磁比传统的电子显微镜使用更少的电子，产生幽灵般的黑白图像
为了更好地记录原子水平上发生的事情，拍摄了数百张这样的图像
复杂的数学工具将这些图像结合起来，制作出更详细的原子尺度的图片
在这项研究中，研究人员在溶液中用短的类肽聚合物制造了纳米片，这种聚合物由六种称为“芳烃”的疏水单体链组成，与四种亲水聚醚单体相连
亲水或“亲水”单体被溶液中的水吸引，而疏水或“憎水”单体避开水，使分子定向形成只有一个分子厚的结晶纳米片(约3纳米，或30亿分之一米)
该论文的主要作者孙婷·宣是材料科学部的博士后研究员，他合成了这种类肽纳米片，并在伯克利实验室的高级光源(als)中使用X射线散射技术来表征它们的分子结构
ALS能产生各种波长的光，从而能够研究样品的纳米结构和化学性质以及其他特性
材料科学部的项目科学家江(音译)捕捉到了高质量的图像，并开发出了在类胶溶剂成像中实现原子分辨率所需的算法
大卫·普伦德加斯特是分子代工厂的高级职员科学家和临时主管，他模拟了蛋白胨中的原子替换，而李南是分子代工厂的博士后研究员，他进行了分子动力学模拟，以建立纳米片的原子尺度模型
该团队发现的核心是他们能够在材料合成和原子成像之间快速迭代
蛋白胨合成的精度，加上研究人员使用低温电磁直接成像原子位置的能力，使他们能够在原子水平上设计蛋白胨
令他们惊讶的是，当他们创造出几种新的类肽单体序列变体时，纳米片的原子结构以非常有序的方式发生了变化
例如，当一个额外的溴原子被添加到每个芳环中时，每个类肽分子的形状保持不变，但是行之间的空间增加刚好足以容纳额外的溴原子
此外，当四个额外的类肽纳米片结构的变体被成像时，研究人员注意到它们的原子结构有显著的一致性，并且纳米片共享类肽分子的相同形状
诸葛漫说，这使得他们可以预测地设计纳米片结构
“在软材料的原子尺度上有如此多的控制是完全出乎意料的，”巴沙拉说，因为假设只有蛋白质才能形成特定的形状，当你有特定的单体序列时——在他们的例子中，是氨基酸
新材料的团队方法 近四十年来，伯克利实验室已经把电子显微镜的边界推进到了曾经被认为不可能用电子束探索的科学领域
伯克利实验室科学家的开创性工作也在2017年诺贝尔化学奖中发挥了关键作用，该奖表彰了低温电磁的发展
巴尔萨拉说:“大多数人会说，开发一种技术来定位和观察软材料中的单个原子是不可能的。”
“解决这类难题的唯一方法是与跨科学领域的专家合作
在伯克利实验室，我们是一个团队
" 诸葛漫补充说，目前的研究证明，低温电磁技术可以应用于广泛的普通聚合物和其他工业软材料，并可能导致一类新的软纳米材料，折叠成具有类似蛋白质功能的类似蛋白质的结构
“这项工作为材料科学家应对将人工蛋白质变为现实的挑战奠定了基础，”他说，并补充说，他们的研究还将团队定位于解决各种令人兴奋的问题，并“提高人们的认识，即他们也可以开始使用这些低温电磁技术来观察软材料的原子结构。”
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