在最近发表在《Small》杂志上的一项研究中，日本金泽大学纳米生命科学研究所 (WPI NanoLSI) 的研究人员与美国西雅图的 Sarikaya 教授合作，使用调频原子力显微镜揭示了基因设计和点突变肽及其自组织各自在原子级平坦的石墨和MoS 2表面上形成单分子厚、独特的生物晶体，为生物电子学、生物传感器和蛋白质阵列等混合技术提供了潜在的平台。

蛋白质是生物学中的关键分子构件，执行酶促功能、传输离子和电子，并构成细胞结构的主要基础设施，例如离子泵。蛋白质的功能取决于它们的氨基酸序列，而氨基酸序列又决定了它们的三维分子结构。

蛋白质的氨基酸序列由给定特化细胞的基因(DNA 代码)编码。因此，氨基酸序列中的任何缺陷，例如点突变、氨基酸位置的变化、氨基酸缺失或两个或多个氨基酸的转座，预计都会影响蛋白质的分子结构，这体现在它们的功能上，往往会导致遗传性疾病。

与蛋白质类似，肽也是由氨基酸单元组成，每个肽都有独特的序列;然而，它们要短得多，从 10 到 30 个单位不等，并且同样由 DNA 编码。与蛋白质相比，它们更容易操作、设计和使用，蛋白质更大(数百或数千个氨基酸长)、难以合成且使用起来不切实际。

因此，如果未来的实用技术要基于分子尺度的生物学经验来开发，就必须使用肽来建立基础科学，然后将其应用于现实世界的应用，例如生物传感器、生物电子学、逻辑器件以及药物，所有这些都基于生物学的经验教训。

认识到这一前提，Sarikaya教授在二十年前发起了一种新颖的融合科学方法，涉及基因工程、分子生物学、信息学、机器学习以及材料科学与工程，设计固体结合肽，并展示了它们在实际混合技术中的用途。

在这项新研究中，其中一种肽，专门设计为石墨结合肽，突变为两种不同的肽，M6 和 M8，每种肽名义上具有相同的分子量和大小，但包含带电氨基酸的点突变，其中一个带负电和另一个积极的，分别。

正如预测的那样，它们的功能会有所不同，而且它们确实做到了。然而，无法先验地预测的问题是它们与野生型(原始)肽的行为究竟有何不同，以及它们的分子结构和在肽表面的动力学行为的细节是什么。基材石墨。

这些问题的答案迄今为止限制了对突变体之间关系及其可预测行为的理解，需要非常高的分辨率和对分子在水中的天然状态进行几秒到几小时的直接成像。

这就是金泽大学 WPI 纳米生命科学研究所 Takeshi Fukuma 教授的实验室发挥作用的地方，他的团队开发了调频原子力显微镜设备，能够以近埃图像分辨率询问分子尺度物体，并在水环境中长时间工作——对于实验系统来说，这是一种不寻常的能力组合，特别是对于生物研究而言。

凭借 Ayhan Yurtsever 博士、Kaito Hirata 博士、Linhao Sun 博士和 Takeshi Fukuma 博士领导的研究人员高度熟练的实验能力(在长时间测试中具有无尽的耐心)，该团队发现了突变体以前所未有的细节，提供了跨越几个传统不同学科的重要结果，从材料科学到物理学，再到化学和生物学。

首先，尽管存在突变并且各自具有不同的总电荷，但每个肽不仅与石墨表面结合，而且还组装形成单分子厚的肽晶体。然而，第一个突变体(带负电的突变体)形成了一个晶体斜晶格，每个晶格中有两个分子(彼此缠绕)，而第二个突变体(带正电的突变体)形成了包含单个肽的不同的倾斜晶格。

这里真正有价值的是，肽的行为与其分子结构简单直接相关，并使用分子动力学建模。因此，研究人员能够从数学上描述每种肽(每种肽形成不同的倾斜分子晶格)与石墨基底的六方晶格之间的关系，这被专门描述为手性识别。

实际上，这意味着每个肽都被证明与基底石墨形成混合界面，最好的描述是晶体学上一致，之间没有明显的间隙，这与生物学中的配体-受体或蛋白质/DNA 相互作用不同。

以前从未如此清晰地观察到“活”分子对固态物体的分子识别，也没有将其细节描述为手性，这两者都增加了本出版物中提出的结果的重要性。

一方面，从生物学的角度来看，现在有足够的数据和细节来说明突变如何导致分子构象的变化以及由此产生的肽的功能，这些可以扩展到蛋白质的行为，对于基因突变具有重要意义，并且有效药物设计。

另一方面，相干杂交表明，有生命和无生命的纳米级物体稳定地存在于同一软界面上，形成独特的分子桥，可以通过将生物学与固态器件无缝集成来最好地描述。

如果是这样，根据这项研究，科学家和技术人员有望通过使用简单的突变分子生物学工具，极大地拓宽未来生物/纳米设备的分子基础库。