为探纤维真面目，分子探针显神通
--生物质能实验室“纳米生物材料--探针显微镜及应用”系列讲座圆满结束
作者：王永泰
2022年11月17日至2023年3月20日，由国家高等学校学科创新引智计划（简称“111计划”）资助，受生物质与生物质能实验室彭良才教授邀请，美国佐治亚大学徐炳乾教授在线讲授“新能源纳米生物材料”系列讲座，我校植科院、生科院等学院师生参加。
如何高效利用废弃秸秆的木质纤维素是在“双碳”背景下亟需解决的农业和工业的共性问题。纤维素作为植物细胞壁的刚性骨架物质，是地球上含量最为丰富的大分子聚合物。然而，由于长期缺乏对纤维素超微结构的理论认知，实际应用中往往难以低成本的生产纤维素能源和材料。因此，生物质能团队邀请徐炳乾老师为与会师生介绍纳米生物技术的相关知识。纳米生物材料的尺度在纳米级别，需要能到到此级别的仪器对其进行直观、充分地研究。现今时代，电子元器件进入到10纳米制程工艺已几乎到达极限，而单分子电子学为这一领域提供了新的思路，单分子研究包括分子电子学和单分子生物物理学，能从分子级别对材料进行研究，为材料表征提供了新方法。
徐炳乾老师是世界单分子研究领域的权威。他率先开发了世界上现在已普遍采用的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope, SPM)破缺结技术他在研究单分子/生物分子的机械和电子传输性质，用化学机械特异性识别性能研究生物系统中的分子分布和单分子水平上的生物系统的相互作用，并揭示其特殊的机理上取得了卓著的进展, 受到同行的高度评价。
第一讲的主题是“纳米生物技术简介”，徐老师分成两部分开始讲解，第一部分是SMBJ元器件和SMRI元器件的用途，前者可用于研究单分子机电特性、光电特性、热电特性等，后者可用于研究单分子识别和互作、纳米材料组装、药物/细胞互作等；第二部分是纳米生物技术的实际应用，包括原子力显微镜、光学镊子和单分子荧光显微镜等；在单分子层面研究生物学的意义在于可以实时观察生化反应过程以及在未知领域探索新科学。
第二讲的主题是“探针显微镜的原理及历史”，徐老师从SPM（扫描探针显微镜）的结构和原理讲起，列举了其主要包括的三大类探针显微镜，即STM（扫描隧道显微镜）、AFM（原子力显微镜）和NSOM/SNOM（近场扫描光学显微镜/扫描近场光学显微镜），随后他向师生们介绍了这三类探针显微镜的发明历史、工作原理、不同的工作模式与对应的材料特性、实际应用领域和三者间的特性对比，完整地向师生们阐述了探针显微镜的工作原理和发明、应用历史。
第三讲的主题是“探针显微镜破缺结技术及应用”，徐老师作为扫描探针显微破缺结技术的创始人，用细致、严谨的讲述带领着师生一起理解破缺结技术的发明与发展。徐老师从破缺结技术的原理出发，介绍了它作为新技术的优势：分辨率更高、可测量机电性能；接着他谈到相关领域的研究，从他自己获得启发用碳水化合物结合结构域去结合结晶纤维素开始，到研究分子-电极接触对单个辛二硫醇分子电导的影响，再到众多对单分子DNA-蛋白质相互作用的分子基础的研究等，此项技术已在多研究领域发挥重要作用。
第四讲的主题是“单分子相互作用探针显微镜技术及应用”，徐老师依然先从单分子相互作用原理及物理模型向师生介绍其相关概念，并引援如“DNA-蓖麻毒素相互作用”等实例作为补充；接着他以“CBM与纤维素的单分子结合动力学”等研究作为案例，讲述了为了更好地了解CBM结合的结合过程和效率，需要在单分子水平上进行直接观察和测量以研究单个CBM分子的结合行为，故采用AFM来对结合过程进行识别与研究；最后，徐老师带领师生一同通过不同案例了解了探针显微镜在分子互作领域上地高精度成像能力，向与会师生从多角度、多领域传递了单分子相互作用探针显微镜技术的应用知识。
第五讲的主题是“单分子相互作用探针显微镜技术在植物纤维上的应用”，徐老师结合本实验室王艳婷老师、张冉老师在美国佐治亚大学进行的系列研究向我们介绍了原子力显微镜对纤维素的成像：早期，生物质能团队鉴定了一个天然水稻纤维素突变体Osfc16，其纤维素合酶OsCesA9亚基的P-CR区域发生点突变，不仅可以提高生物质产量和植物抗倒伏能力，还可提前终止纤维素链的延长，提升降解效率（Li et al., 2017）；同时发现，利用突变体Osfc16所制备的纳米纤维具有更好的乳化性能和诱导产酶能力（Peng et al., 2022）。深入解析突变体Osfc16的纤维素超微结构变异。该研究利用配备单分子识别系统的原子力显微镜技术，在突变体Osfc16中发现了长度缩短的纳米纤维组装，直接产生了高密度无定形纤维素区域。通过使用单个类型的纤维素酶原位酶解，在突变体Osfc16中观察到更加有效的酶催化模式。此外，在体外实验中还研究了突变体Osfc16所产生的纤维素纳米纤维能够转化为尺寸缩小的纳米晶（Zhang et al., 2023）。据此，总结突变体Osfc16中同时存在纵向尺度上的无定形纤维素区域和内部断裂的纤维素链，能够作为启动和完成纤维素水解成更高产量的可发酵糖的突破点。这项研究微观观察了植物纤维素底物的降解和转化过程，同时揭示了纤维素纳米改良的可能性
第六讲的主题是“神奇的石墨烯”，徐老师从结构出发，向我们展示了石墨烯以及其衍生纳米材料的分子构型，并列举了当下时兴的石墨烯制备技术，包括物理剥离法、SiC外延法以及生物质热解法等。石墨烯是一种具有原子级蜂窝晶格结构的新型二维碳材料，具有电导率高、机械强度高、热传导性能优等优点，是目前电化学储能装置研究中备受关注的电极材料之一。但其造价昂贵，工艺复杂，难以大规模生产且成本过高，生物质能团队提出可利用每年损耗浪费巨大的农林废弃物（以作物秸秆为主），通过简单的“高温热解法”即可获得成型的石墨炭乃至石墨烯薄片。徐老师从物理的角度向与会师生阐述了此设想的可行性，并提出获得的生物质石墨烯不仅可以用于储能，还可进一步改性为石墨烯基纳米材料（GBN），其用途广泛，可用于抗菌材料、伤口寻址、药物输送和水净化等方面，且对生物体危害极低。徐老师认为，如果制备生物质石墨烯的技术路线能进一步优化并阐明其原理，便是一项对能源安全乃至于整个社会的革命性创新，具有非常重大的科学意义，他真诚地鼓励师生们，要大胆开拓新道路，努力将此项设想实现。在本期课程最后，徐老师以他广袤的人生经验，教导与会的同学们如何成为一名优秀的科研工作者，并提出了他一直以来推行的“24条秘籍”来与大家共勉。
在每一次的课后，徐老师都会拿出1-2个小时，与师生们一同探讨本次课程的相关问题，如“利用破缺结技术检测后能表现出良电学特性的生物分子，能否用于工业化生产生物芯片” 、“利用探针显微镜研究分子互作时，探针的选择多大程度上影响结果的准确性”等，徐老师都以充沛的知识和严谨的推导，一一向师生们作了完整的解答。讲座最后，王艳婷老师深切地追忆了过去在佐治亚大学访学，与徐老师团队密切合作的时光，徐老师长远而深刻的科学眼界、严谨而亲切的治学态度，都给她留下了深刻的影响和持续的鼓励，生物质能团队与徐炳乾老师团队合作进行的国际学术交流、国际人才培养、学术成果发表都硕果累累；生物质能团队的各级学生都纷纷以诚恳而热烈的话语感谢徐老师不辞辛劳地授课，并向他献上真挚的祝福。最后，徐老师和与会师生合影留念，并应彭良才老师和王艳婷老师的邀请于本年度再访华农，为大家做更精彩的报告。
参考文献：
1) Li FC#, Xie GS#, Huang JF, Zhang R, Li Y, Zhang ML, Wang YT, Li A, Li XK, Xia T, Qu CC, Hu F, Ragauskas AJ, Peng LC*. OsCESA9 conserved-site mutation leads to largely enhanced plant lodging resistance and biomass enzymatic saccharification by reducing cellulose DP and crystallinity in rice. Plant Biotechnol J, 2017, 15: 1093-1104
2) Peng H#, Zhao WY#, Liu JY, Liu P, Yu HZ, Deng J, Yang QM, Zhang R, Hu Z, Liu SL, Sun D, Peng LC, Wang YT*. Distinct cellulose nanofibrils generated for improved Pickering emulsions and lignocellulose-degradation enzymes secretion coupled with high bioethanol production in natural rice mutant. Green Chem, 2022, 24:2975-2987
3) Zhang R, Hu Z, Wang YT, Hu HZ, Li FC, Li M, Ragauskas A, Xia T, Han HY, Tang JF, Yu HZ*, Xu BQ*, Peng LC*. Single-molecular insights into the breakpoint of cellulose nanofibers assembly during saccharification. Nature Communications, 2023, 14: 1100
