多种加聚物

记者14日从中国科学技术大学获悉，该校科研团队在植物叶片代谢物质谱成像取得新进展，实现对多种植物叶片中代谢物的空间成像。　　这一成果由该校国家同步辐射实验室潘洋教授团队利用自行研发的质谱成像平台，实现对多种植物叶片中代谢物的“拍照”。　　研究成果近日发表于国际分析化学领域著名期刊 Analytical Chemistry杂志。　　在已知植物种群中，有约200,000个植物代谢物的化学结构被鉴定出来。植物代谢物的成分分析和空间成像对探讨植物代谢物的生物合成、运输、生理机制、自我调节机制及植物与生态的相互作用具有重要意义。　　质谱成像是近年来涌现出的分子成像技术，具有免荧光标记、不需要复杂样品前处理等优点。然而，由于植物角质层和表皮蜡的存在，常规软电离技术很难穿透角质层作用于叶肉组织，从而无法对植物叶片中的代谢物进行直接成像。　　课题组通过印迹方法，将叶片中的植物代谢物转移至多孔聚四氟乙烯材料上，并对印迹后的材料进行成像，可实现对叶片植物代谢物的间接成像。由于使用DESI/PI技术，相比于传统DESI方法，正离子模式下可新检出多达百种萜类、黄酮类、氨基酸和苷类等次生代谢产物 负离子模式下整体代谢物信号强度可增强一个数量级。　　课题组进一步利用该技术对茶叶进行研究，发现咖啡因在叶中脉富集、茶氨酸在叶柄富集并延伸至中脉和叶尾，为咖啡因主要在茶叶中脉合成和茶氨酸在茶叶根部合成并转运至叶片的生物合成位点及转运路径提供了强有力的证据。　　实验还检测到茶叶中儿茶素生物合成网络中重要的黄酮类代谢物并以质谱成像的形式展示出空间分布，表明印迹DESI/PI成像技术在探索植物代谢转化位点和途径方面有巨大的潜力。

近日，中科院大连化学物理研究所研究员徐兆超团队发展了聚集体调控探针，解决了以往蛋白标签荧光探针在超分辨成像应用中缺乏对多种细胞器通用性标记的问题。相关研究成果已发表于《聚集体》。　　纳米尺度下细胞器与亚细胞器动态行为的监测与解析对于生命进程的解密至关重要。徐兆超团队前期针对溶酶体内酸性微环境设计合成了溶酶体自闪染料，并借助单分子定位显微镜（SMLM）实时监测了溶酶体运动并发现4种溶酶体间相互作用模式，针对脂滴内部高度疏水环境设计了缓冲脂滴探针，实现了脂滴的稳定超分辨成像并发现脂滴融合的新模式。该团队构建的SNAP蛋白标签探针还克服了传统线粒体探针易受电位波动而脱靶的问题，实现了对线粒体的稳定标记和动态超分辨成像。　　然而，蛋白标签荧光探针依然面临细胞渗透性差的问题，特别是探针在细胞内局域分布使得单一探针难以具有对多种细胞器广谱性标记的性能。对此，该团队发展了具有“单体—二聚体—聚集体”多体系动态调控的SNAP蛋白标签探针BGAN-Aze，该探针在细胞外形成荧光淬灭的纳米聚集体而具有快速穿透细胞膜和在细胞内广泛分布的能力，在细胞内以单体的形式与目标蛋白共价连接，并伴随荧光的恢复，最终实现细胞内多种细胞器选择性荧光识别与细胞器亚结构的动态超分辨成像。　　此外，研究发现BGAN-Aze为不带电荷的中性分子，可保持高度的细胞渗透性与生物相容性，能够实现纳米尺度下对细胞膜、线粒体、细胞核等多种细胞器亚结构的长时间追踪。　　该探针基于遗传编码技术，实现了细胞内多种细胞器选择性荧光识别的广谱应用性，并且实现了细胞器亚结构的动态超分辨成像，进而揭示了多种未见报道的细胞器结构动态变化，为进一步研究不同细胞器的功能提供工具。

【科学背景】二维材料自2004年通过机械剥离法从石墨中剥离出石墨烯以来，因其独特的超薄片状形态和极高的比表面积，引起了广泛关注，并在凝聚态物理学、材料科学和化学领域展示了优异的性能和应用前景。然而，构建纯有机分子纤维的无瑕二维编织图案仍然是一个重大挑战，尽管这种可能性已经被多次提出。主要问题在于如何精准地将纯有机分子纤维编织成无瑕的二维双轴编织图案，并获取精确的结构信息，如键长、键角和聚合物网络中原子的空间位置。有鉴于此，浙江大学黄飞鹤团队、李光锋研究员、美国德州大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授和浙江工业大学化工学院朱艺涵教授合作提出了通过配位B&minus N键驱动的编织聚合方法，来构建纯有机二维编织聚合物网络（2DWPNs）。研究中，科学家们通过定义基于1,4-二（苯并二噁硼）苯（BDBB）和1,2-二（4-吡啶基）乙烯（BPE）编织聚合的两上两下编织图案，成功获得了2DWPN单晶，并通过单晶X射线分析揭示了其明确定义的编织拓扑结构。此外，使用Scotch Magic Tape从分层晶体中成功剥离出了自由悬挂的二维单层纳米片。相关成果在Nature Chemistry发题为“Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks”研究论文。这些研究成果展示了纯有机编织聚合物网络的精确构建，并突显了在二维有机材料中应用编织拓扑结构的独特机会，开创了纯有机自由悬挂二维编织聚合物网络（2DWPNs）作为功能材料的新方向。这些发现不仅推动了纯有机二维材料的发展，还为理解其形成机制和结构-性能关系提供了新的视角。【科学亮点】1. 纯有机二维编织聚合物网络的合成：本文成功合成了纯有机自由悬挂的二维编织聚合物网络（2DWPN），这是通过配位B&minus N键驱动的编织聚合反应实现的。该网络具有无瑕的二维双轴编织结构，为纯有机材料领域带来了新的突破。2. 精确的编织拓扑结构：通过X射线衍射分析，揭示了该编织聚合物网络的精确拓扑结构。单晶的获得和结构的明确定义展示了编织拓扑在分子层面上的精确构建。3. 自由悬挂二维单层的制备：利用Scotch Magic Tape从块状晶体中成功剥离出自由悬挂的二维单层纳米片，这在二维编织材料中较为少见。此方法为进一步探索二维编织聚合物的表面和结构特征提供了便利。4. 高分辨率电子显微镜成像：通过低剂量和低温电子显微镜技术，研究了二维编织聚合物的表面特征，揭示了其分子层面的细节。这些成像技术帮助确认了2DWPN的表面结构和特性。5. B&minus N键驱动的编织机制：本研究展示了利用B&minus N配位键的内在构象柔性来调节聚合物网络的拓扑结构。该机制利用了配位B&minus N键在溶液中的动态性和固态中的稳定性，为编织结构的形成提供了有效的控制方法。6. 新型二维材料的潜力：通过本研究，展示了二维编织聚合物网络在材料科学中的潜在应用前景。编织拓扑结构为二维有机材料提供了独特的应力分散路径和改善刚性晶体的柔韧性，开辟了功能性材料的新方向。【科学图文】图1：标记为2DWPN-1的二维瓦普材料（2DWPN）的示意图。图2：NWPN-1和2DWPN-1拓扑形成机制。图3：原子级薄2DWPN-1薄片的制造和表征。图4：二维瓦普材料（2DWPN-1）晶体的低温低剂量高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。图5：2DWPN-1和NWPN-1的机械性能研究。【科学结论】本文的研究展示了利用配位B&minus N键驱动的二维编织聚合物网络（2DWPN）的创新设计和合成方法。这一方法不仅突破了传统材料设计的局限，还提供了一种新颖的合成策略，通过调节配位B&minus N键的角度，精确控制了聚合物网络的拓扑结构。这种从分子层面调控材料结构的能力，为未来在合成新型功能性材料时提供了宝贵的经验。其次，成功制备和表征自由悬挂的二维单层纳米片展示了编织聚合物网络在实际应用中的潜力。通过使用Scotch Magic Tape剥离技术和低温电子显微镜，研究团队揭示了纳米片的表面特征和结构细节。这一成果不仅证明了二维编织材料的制备可行性，还为二维材料的性能优化和应用拓展提供了新的实验手段。此外，编织拓扑结构在应力分散和提升材料柔韧性方面的优势也为材料科学领域带来了新的视角。研究表明，编织结构能够有效缓解应力集中，提升刚性材料的柔韧性，这一发现开辟了材料设计的新方向，尤其是在高性能和耐用材料的开发中具有重要意义。文献详情：Xiao, D., Jin, Z., Sheng, G. et al. Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01580-3