普林斯顿大学化学家成功利用定制蛋白质在室温下创造量子点

自然界使用20种典型的氨基酸作为制造蛋白质的构件，将它们的序列组合起来，创造出能发挥生物功能的复杂分子。但是，自然界没有选择的序列会发生什么？在构建全新的序列以制造新的，或从头开始的，与自然界中的任何东西几乎没有相似之处的蛋白质方面，又有什么可能性呢？

普林斯顿大学的Michael Hecht教授和他的研究小组在化学领域取得了一项重大发现，他们创造了第一个已知的能催化量子点合成的从头蛋白质。量子点是具有荧光特性的纳米晶体，被用于一系列的电子应用，包括LED屏幕和太阳能电池板。这种创造量子点的新方法有可能比目前的方法更具有可持续性和环保性，因为它表明可以使用并非来自自然界的蛋白质序列来合成功能性材料。

在电子显微镜下拍摄的量子点的图像。这些量子点是在赫克特实验室使用新蛋白质生产的。每个量子点的直径为2纳米，这是一个重要的因素，因为粒子的大小决定了它们发光的颜色，或者说荧光。资料来源：赫克特和斯科尔斯实验室提供

这就是化学教授Michael Hecht和他的研究小组工作的领域，最近，他们对设计自己的序列的好奇心得到了回报。

他们发现了第一个已知的催化或驱动量子点合成的de novo（新创建）蛋白质，量子点是用于从LED屏幕到太阳能电池板等电子应用的荧光纳米晶体。

他们的工作打开了以更可持续的方式制造纳米材料的大门，证明了并非来自自然界的蛋白质序列可以用来合成功能性材料，这对环境有明显的好处。

量子点通常是在工业环境中用高温和有毒、昂贵的溶剂制造的--这种过程既不经济也不环保。但是Hecht和他的研究小组在实验室里用水作为溶剂完成了这一过程，在室温下制造出了稳定的最终产品。

Hecht说："我们对制造生命分子、蛋白质感兴趣，它们并不是在生命中产生的，"他与威廉-S-托德化学教授和系主任格雷格-斯科尔斯一起领导了这项研究。"在某些方面，我们在问，是否存在我们所知的生命的替代品？地球上的所有生命都来自共同的祖先。但是，如果我们制造出并非来自共同祖先的栩栩如生的分子，它们能做很酷的事情吗？所以在这里，我们正在制造从未在生命中出现过的新型蛋白质，做生命中不存在的事情。"

该团队的工艺还可以调整纳米粒子的大小，这决定了量子点的颜色，或荧光。这为在生物系统中标记分子提供了可能性，例如对体内的癌细胞进行染色。

迈克尔-赫克特教授和第五年的研究生以及量子点研究的合作者姚跃宇在弗里克实验室 图片来源：杰西-康登的照片

"量子点因其尺寸而具有非常有趣的光学特性，"该论文的共同作者、赫克特实验室五年级研究生姚跃宇说。"它们非常善于吸收光线并将其转化为化学能--这使得它们在被制成太阳能电池板或任何种类的光传感器方面非常有用。但另一方面，它们也非常善于以某种所需的波长发光，这使它们适合于制作LED屏幕。"而且，由于它们很小--仅由大约100个原子组成，宽度可能为2纳米--它们能够穿透一些生物屏障，使它们在药品和生物成像方面的用途特别有希望。

"我认为使用新蛋白质为可设计性开辟了一条道路，"这项研究的主要作者、斯科尔斯实验室的前博士后Leah Spangler说。"对我来说，一个关键词是'工程'。我希望能够设计蛋白质来做一些特定的事情，而这是一种你可以做到的蛋白质类型。

她补充说："我们正在制造的量子点质量还不是很好，但这可以通过调整合成方法来改善。我们可以通过设计蛋白质以不同的方式影响量子点的形成来实现更好的质量。"

Leah Spangler，论文的主要作者，去年在弗里克实验室

基于通讯作者Sarangan Chari（Hecht实验室的高级化学家）所做的工作，该团队使用其设计的名为ConK的新蛋白质来催化该反应。研究人员于2016年首次从一个大型蛋白质组合库中分离出了ConK。它仍然由天然氨基酸组成，但它符合"从头开始"的条件，因为它的序列与天然蛋白质没有任何相似性。

研究人员发现，ConK使大肠杆菌在其他有毒浓度的铜中生存，这表明它可能对金属结合和封存有用。这项研究中使用的量子点是由硫化镉制成的。镉是一种金属，所以研究人员想知道ConK是否可以用来合成量子点。

他们的预感得到了回报，ConK将20种氨基酸之一的半胱氨酸分解成几种产物，包括硫化氢。这将作为活性硫源，然后与金属镉反应，其结果是硫化镉量子点。为了制造这种量子点，需要将镉源和硫源在溶液中反应。蛋白质所做的是随着时间的推移缓慢地制造硫源。因此，最初添加镉，但蛋白质会产生硫，然后发生反应，形成不同大小的量子点。

这项研究得到了美国国家科学基金会MRSEC项目（DMR-2011750）、普林斯顿大学写作中心和加拿大高级研究所的支持。该研究还得到了美国国家科学基金会资助的MCB-1947720对MH的支持。