清华学子Nature子刊解技术难题

　　

生物通报道：来自美国斯坦福大学化学系，医学系，清华大学清华-富士康纳米科技研究中心（Tsinghua-Foxconn Nanotechnology Research Center）的研究人员利用碳纳米管技术发展了蛋白芯片方法，有利于提高蛋白芯片在基础研究和临床诊断方面的灵敏度。这一研究成果公布在《Nature Biotechnology》期刊在线版上。

文章的通讯作者是来自斯坦福大学的戴宏杰教授，其1989年毕业于清华大学，之后赴美，哥伦比亚大学获得博士学位。这位科学家是世界著名的纳米科技专家，比如用纳米碳管做原子力显微镜的探针，增加了显微镜的分辨率。去年一篇发表在Nature子刊的文章，Dai研究小组就将核磁共振技术和红外辐射技术相结合，制成了一种集成这两种功能的纳米微型系统，可以用于局部加热，激发一种治疗效果，这为癌症治疗提供了新的材料和手段。

碳纳米管(Carbon nanotubes，缩写成CNT)是一种重要而有代表性的纳米材料，有“纳米材料之王”的美誉，由1991年日本科学家S.Iijima发现。近些年来在生物医学等领域有了越来越多的应用，比如，CNT是一种备受关注的药物输送（drug delivery）纳米载体，由于其表面可以方便地进行功能化，并且能够顺利穿透细胞膜将负载分子输送至细胞内部，所以一些学者、研究团体对功能化CNT向细胞内输送药物分子及生物分子（蛋白质、核酸）等作了广泛、深入的研究。另外，CNT具有独特的物理光学性质，例如吸收红外光而升温，可以用于深组织热疗，发射红外光荧光，可以用于体内的成像诊断。

而目前的蛋白芯片由于主要是通过荧光为基础的蛋白检测方法，因此存在一定的限制，在这篇文章中，研究人员利用高分子单层碳纳米管（macromolecular single-walled carbon nanotubes，SWNTs）作为Raman labels，提高了蛋白芯片的检测灵敏度，以及多重检测。不同于荧光方法，Raman检测能减少背景干扰，提高信噪比，从而达到极高的灵敏度。

为了验证这一方法，研究人员利用SWNT Raman标记检测了针对人类蛋白酶3的自身抗体，前者是自身免疫疾病韦格纳肉芽肿（Wegener's granulomatosis，WG）的生物标记，结果发现即使是稀释了7个数量级的情况下，这种方法也能检测到。这对于进化蛋白芯片的技术发展具有重要意义。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Protein microarrays with carbon nanotubes as multicolor Raman labels

The current sensitivity of standard fluorescence-based protein detection limits the use of protein arrays in research and clinical diagnosis. Here, we use functionalized, macromolecular single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as multicolor Raman labels for highly sensitive, multiplexed protein detection in an arrayed format. Unlike fluorescence methods, Raman detection benefits from the sharp scattering peaks of SWNTs with minimal background interference, affording a high signal-to-noise ratio needed for ultra-sensitive detection. When combined with surface-enhanced Raman scattering substrates, the strong Raman intensity of SWNT tags affords protein detection sensitivity in sandwich assays down to 1 fM—a three-order-of-magnitude improvement over most reports of fluorescence-based detection. We use SWNT Raman tags to detect human autoantibodies against proteinase 3, a biomarker for the autoimmune disease Wegener's granulomatosis, diluted up to 107-fold in 1% human serum. SWNT Raman tags are not subject to photobleaching or quenching. By conjugating different antibodies to pure 12C and 13C SWNT isotopes, we demonstrate multiplexed two-color SWNT Raman-based protein detection.