高分子网络局域弹性的可视化

来源：高分子科学前沿

原标题：暨南大学蒋凌翔、Steve Granick院士合作《自然·通讯》：高分子网络局域弹性的可视化

高分子材料的功能和应用与其力学性质密切相关，常见的流变仪、万能测试机等只能测量材料的宏观性质。近年来基于AFM等技术发展的单分子力谱等测试虽然可以拉伸单个高分子链，但是无法原位研究高分子材料中的分子链。如何才能在单分子尺度上将高分子交联网络中的局域力学性质测绘出来成为一个亟待解决的问题。

近日，暨南大学蒋凌翔副研究员与美国科学院院士、韩国基础研究院Steve Granick教授合作，利用荧光显微镜对高分子交联网络的交联点进行了成像和跟踪，在单分子尺度上阐明网络的波动和局域弹性之间的关系，首次提出了“单交联点显微学”的概念。相关成果以Single-crosslink microscopy in a biopolymer network dissects local elasticity from molecular fluctuations为题发表于Nature Communications。

宏观的弹簧在压力(F)作用下会发生形变(X)，符合胡克定律F=kX；通过测量F和X就能知道弹簧的弹性系数k。研究者注意到这一经典定律在单分子尺度的交联点依然成立（在线性区间内），交联点在分子热运动（提供压力）的作用下在平衡位置附近波动，波动的范围正是由局域弹性系数决定的。其中分子热运动的能量是已知的(kBT)，研究者只需要测量交联点的波动幅度，并建立合适的模型，就能计算出单个交联点的局域弹性。因此，研究者对交联点进行了荧光标记，利用荧光显微镜追踪交联点的波动路径，最终测绘出各个交联点的局域弹性（图1A）。研究者将这一方法称为“单交联点显微学”。

图1，单交联点显微学及其在激动蛋白微丝中的应用。

在前期工作的基础上(PNAS 2017, 114, 3322-3327)，研究者将肌动蛋白微丝（约16nm粗，10-20um长）通过biotin-avidin交联起来，并追踪了绿色荧光标记的交联点在平衡位置周围的波动（图1B-F）。研究者建立了适用于semiflexible polymer的理论模型（图2），并预期交联点的波动轨迹分布为纺锤体形，与实验结果吻合。

图2，半柔性高分子semiflexible polymer网络的波动模型

最终研究者测绘出了该高分子网络的局域弹性（图3）。在该43*45um的视野中，每一个纺锤体代表一个交联点，纺锤体的大小反应交联点的波动大小，纺锤体的颜色代表局域弹性的大小。可以注意到，这个视野中的高分子网络的性质是很不均匀的，弹性大小从0.8到8Pa不等。视野中高弹性区域和低弹性区域共存，它们之间没有明显的相关性。除了这种生物高分子的网络以外，该方法还有望被应用于柔性高分子、合成高分子等体系，并为人们在单分子尺度上表征高分子网络结构和性质提供一种切实可行的思路。

图3，原位测绘的高分子网络局域弹性图（43*45um）。

参考文献

Lingxiang Jiang,* Qingqiao Xie, Boyece Tsang, and Steve Granick,* Single-crosslink microscopy in a biopolymer network dissects local elasticity from molecular fluctuations, Nature Communications 2019, 10, 3314, doi: 10.1038/s41467-019-11313-7

Boyce Tsang,# Zachary E. Dell,# Lingxiang Jiang,# Kenneth S. Schweizer, Steve Granick,* Dynamic Cross-Correlations between Entangled Biofilaments as They Diffuse, Proceedings of the National Academy of Science USA 2017, 114, 3322-3327.