科学探索|科学家开发出新一代先进材料设计：可追踪蛋白质纳米棒运动科学家开发出新一代先进材料

生物材料如骨骼、牙齿和贝壳是非常耐用的。它们的强度源于它们的成分，即由坚硬的岩石类矿物和弹性的碳基化合物如蛋白质混合而成。材料科学家们正在从生物材料中获得灵感，从而以开发由蛋白质和矿物质制成的新一代先进材料。然而科学家们必须首先知道蛋白质是如何在矿物表面附着和组装的。

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蛋白质是一种关键类型的大型生物相关有机分子，这对地球上的生命至关重要。除了自然发生的蛋白质，研究人员还可以定制具有特定特征、结构和属性的蛋白质。这包括设计能附着在不同表面的蛋白质--包括云母等矿物。控制和了解蛋白质的附着是组装先进生物启发材料的核心。
来自西北太平洋国家实验室(PNNL)、华盛顿大学(UW)和劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的一个研究小组一起工作对经过特别设计的蛋白质纳米棒如何在云母表面移动进行了追踪。他们的发现最近发表在《Proceddings of the National Academy of Science》上。该团队通过跟华盛顿大学的蛋白质设计研究所合作创造了一系列不同大小的蛋白质纳米棒，其专门设计用于跟云母结合。然后，研究人员采用高速显微镜来观察单个纳米棒的实时旋转。
华盛顿大学材料科学与工程系研究助理教授Shuai Zhang说道：“我们能以前所未有的分辨率跟踪蛋白质纳米棒。我们使用的原子力显微镜是非常强大的，这使我们能够实时看到单个分子的运动。”
为了准确观察蛋白质的旋转，研究人员不得不在水中研究蛋白质-云母系统。这种环境模拟了蛋白质在真实矿物表面组装的条件。
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研究人员通过在显微镜下观察该系统获取了大量的数据。然而庞大的数据量使他们在分析方面面临挑战。对此，伯克利实验室的团队通过开发了一种新机器学习算法解决了这个问题，该算法大大减少了处理图像所需的时间。从那里，研究人员能观察到蛋白质移动的速度及它们每次移动时的旋转距离。
他们的观察显示，这些蛋白质大多表现得像预期的那样，即通过小幅度的跳跃移动遵循可追溯至爱因斯坦的运动模型。然而这些蛋白质偶尔会进行大的、快速的跳跃，而这一模型却无法解释。
为了弄清这些不同类型的运动，该小组根据显微镜数据进行了模拟。他们发现，蛋白质-表面键的能量控制着蛋白质的旋转方式。大多数时候，蛋白质仍跟云母表面紧密结合，并只能做小的运动。偶尔它们会出现短暂地从云母上分离。在那些短暂的时间里，蛋白质可以快速地进行大跳动。
PNNL的化学家Ben Legg说道：“通过比较我们的观察数据和模拟数据，我们能够识别这两种类型的蛋白质运动。我们认为，大跳动对组装蛋白质-矿物结构有重要的影响。”
了解单个生物分子如何运动可以帮助研究人员开发更好的方法以在表面组装大量的蛋白质。