近日，王翔副教授/任斌教授团队提出利用表面增强拉曼光谱（SERS）快速解析界面蛋白质结构的策略，相关成果以“Rapidly determining the 3D structure of proteins by Surface-enhanced Raman spectroscopy”为题发表于Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.adh8362）。

生物大分子的结构研究是结构生物学领域的核心科学问题之一。尽管传统的结构生物学方法已经在蛋白质结构分析领域取得了显著的进展，仍需进一步发展无标记和高灵敏的方法，以获得低浓度和生理环境下天然蛋白质的动态三维结构，从而揭示蛋白质、核酸等生物大分子结构和功能之间的关系。SERS技术具有单分子水平的灵敏度，能够提供分子指纹信息，原理上可解构蛋白质的空间结构信息，是实现上述目标的强大工具。然而，蛋白质分子量大，其与表面等离激元增强的光电场作用复杂，使得基于SERS光谱确定蛋白质结构极具挑战。

基于此，研究团队结合实验和理论发展了生物大分子SERS光谱解析策略，首次实现了基于SERS的蛋白质结构解析。在实验上，研究团队利用碘离子修饰的金纳米粒子与金单晶基底形成纳米间隙，在蛋白质的天然状态下获得高重现高信噪比蛋白质SERS光谱。在理论上，研究团队利用SERS增强电磁场的衰减特性，对蛋白质分子进行空间断层扫描，同时将蛋白质在界面上的构象简化为氨基酸在空间的排列组合。这样原本计算蛋白质与表面等离激元电磁场相互作用所需的复杂积分迭代可简化为极化率张量导数、旋转矩阵和梯度局部电场的简单矩阵计算，进而在1秒内即可获得蛋白质的理论光谱。该算法计算的理论SERS光谱与实验获得的蛋白质光谱高度相似。因此，通过搜索构象，对比实验-理论光谱的相似性，即可重构蛋白质的3D结构。研究团队从简单小分子、多肽到复杂蛋白质等多个体系验证了该策略的可行性；通过解析界面DNA结构，验证了该策略对生物大分子分析的普适性。该研究工作首次建立了蛋白质SERS光谱的解析策略，对明晰SERS的谱构关系，进而实现未知序列蛋白质的结构解析具有重要意义。

该研究工作是在王翔副教授和任斌教授的共同指导下完成，博士后马昊为论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（22021001、22227802、22104125）、博士后基金（2021M691870）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720220018）等资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8362

（化学化工学院）