太赫兹（THz）光谱在生物大分子研究中的应用（二）
4 THz 光谱在水环境中生物分子研究的应用
水对于生物分子发挥其功能有着至关重要的作用，但长期以来，由于实验仪器和研究方法的局限，水分子与生物大分子的相互作用难以观察. 90年代后期，随着THz-TDS技术开始应用于生物学研究领域，研究人员发现THz对生物分子中的水非常敏感，THz光谱可检测少量溶剂诱导的生物分子-水分子界面的集体水分子网络动力学变化. 这为研究生物分子与水的相互作用提供了新的手段及启示.
在对水环境中糖类的研究中，Havenith等[25]发现THz 可以作为一种探测溶质-诱导变化的灵敏探针. 以p-锗-激光为THz光源在2.3~2.9THz 范围内研究乳糖的光谱特征，将水和乳糖粉的吸收与整体吸收相比较，可以看出乳糖溶液的吸光度要比前两者大. 分子动力学模拟（CHARMm力场）表明这是因为氢键重排动力学在水合作用下发生了改变. 溶剂化糖类的THz 光谱显示水分子的数目与糖类动态耦合，并在其周围形成了动态水合层. 动态水合层与溶质接触的氧原子数目和糖类生物功能有关[13]
水在蛋白质的结构和动力学上起着非常重要的作用. Xu等[26]利用THz-TDS研究牛血清蛋白溶液中与蛋白质功能相关的集体运动，通过减少水的干扰，发现牛血清蛋白溶液的摩尔吸收随浓度变化不大，这与比尔定律相符. Born等[27]利用THz 光谱技术来探讨蛋白诱导下泛素的快速溶剂化动力学，通过对几个泛素特殊位点突变体进行吸光谱测定，确定蛋白质表面的动态水化层厚度至少是18 埃，这远远超过了由散射方法观察到的静态水化层（3埃）. 该研究还发现，侧链截断会使蛋白质结构的柔性增加、刚性降低，从而产生更多自由状的动态水合层. 他们还利用THz 光谱技术研究了低水合态下模型肽的溶剂化[28],发现如果单位溶质的水分子数少于18~20，THz 光谱吸收就会急剧下降. 该现象是肽-水分子网络运动被破坏的特征，并有力支持了激活该运动需要最少量结合水的假说.
不同状态的水，其吸收THz 射线的方式也不同，因此研究人员可以直接观测到蛋白质对其周围水分子的影响作用. Havenith等[29]在蛋白质对溶剂的影响距离及影响方式的问题上进行了探讨，通过THz 光谱技术对溶剂化动力学、动态水化层厚度进行研究，发现蛋白质周围溶剂化层的相互重叠会导致λ蛋白的THz 吸收产生非单调趋势. 分子动力学模拟显示，蛋白质溶剂化层中的水与其距离10埃的自由水有着不同特征. 在水化层相互重叠等高蛋白浓度之处的计算所得数据和实验结果一致，都显示其吸收光谱有非单调性变化. 蛋白质对水分子网络运动的影响距离在20埃以上，这远大于理论长度. THz实验表明一个蛋白质可以影响1000个水分子. 该研究小组[30]还利用THz 技术测量溶剂化蛋白质，以便研究生物大分子周围的动态水合层. 发现与浓度相关的THz 吸收系数会随着溶质诱导的溶剂化动力学改变，并受蛋白质浓度和动态水合层厚度的影响.
THz 吸收可作为溶液中蛋白质浓度的函数，用以研究蛋白质和水之间动态耦合. 在高浓度的蛋白质-水溶液中，随着蛋白质浓度的增高，THz 吸收光谱以近似线性趋势降低[26]. 在低浓度的蛋白质-水溶液中，蛋白质浓度与吸光率呈现非线性变化，蛋白质溶剂化层重叠和自由水消失表明了蛋白质稀溶液的转变[29]. 计算机模拟也可以用于研究邻近生物分子表面的水分子动力学和结构. Whitmire等[31]使用标准模式分析生物大分子力场模型，并计算谐函数近似值下的THz吸收光谱. Ebbinghaus等[29]使用分子动力学模拟计算偶极波动.水分子的平移和旋转扩散可作为以蛋白质和水分子间距、氢键动力学的函数. Havenith研究小组通过模拟水分子的这一特性，得以深入研究生物分子和邻近水的动态耦合[32].
5 结语
THz 以其对生物分子的特征吸收、高灵敏度、宽带性等优点，为人们提供了一种研究生物分子结构及相关动力学、分子与环境相互作用的新方法. 目前关于THz 波段在生物学中的光谱和成像研究正处于一个飞速发展的时期，研究者们已在生物分子指纹图谱的获得、无标记生物探测以及水环境与分子的相互作用等方面做出了一些初步的研究成果. 但THz 作为一种新兴的光谱分析检测手段，与已经成熟的其他光谱技术相比仍难免存在着一系列问题，它在实验技术和理论分析技术方面仍有待完善. 在实验技术方面，由于THz 波的波长限制了THz 成像系统的空间分辨率，要在生物样品 (如生物细胞或生物组织) 上加一层控制材料是很困难的；目前大多数脉冲实验获取数据时间较长，对于生物样品可能会有样品的变性问题；一般光导天线辐射的THz 源有效频率较低,使得一些物质结构信息不能在谱图中得到充分的反映；另外,现有的THz 时域光谱系统及成像系统的设备还比较昂贵,信息处理过程也很复杂,有待进一步微型化和实用化. 在理论分析方面，有效的数据处理和图谱分析方法仍需要进一步探索，光谱数据也需要不断积累以利于研究THz光谱与分子结构之间的关系. THz 涉及到物理学、化学以及生物学等多学科的交叉与融合，随着研究的不断深入，该技术与多种学科之间的交叉势必会更加深入. 相信随着THz 技术的发展，它将在许多领域都展现出巨大的应用价值.
参 考 文 献
[1]
Williams B S, Callebaut H, Kumar S, et al. 3.4-THz quantum cascade
laser based on longitudinal-optical-phonon scattering for depopulation.
Applied Physics Letters, 2003, 82(7): 1015~1017.
[2] 王晓红, 张亮亮, 胡颖, 等. THz辐射在DNA光谱研究中的应用. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(3): 385~391.
Wang
X H, Zhang L L, Hu Y, et al. Applications of terahertz pulse in the DNA
molecule. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(3): 385.
[3]
Kikuchi N, Tanno T, Watanabe M, et al. A membrane method for terahertz
spectroscopy of amino acids. Aanalytical Sciences, 2009, 25(3): 457~459.
[4]
Wang X M, Wang W N. Terahertz time-domain spectroscopy of
sulfur-containing amino acids. Actachimica Sinica, 2008, 66(20):
2248~2252.
[5] Plusquellic D F, Kleiner I, Demaison J, et al. The
microwave spectrum of a two-top peptide mimetic: The N-acetyl alanine
methyl ester molecule. Journal of Chemical Physics, 2006, 125(10).
104312.
[6] Markelz A G, Roitberg A, Heilweil E J. Pulsed terahertz
spectroscopy of DNA, bovine serum albumin and collagen between 0.1 and
2.0 THz. Chemical Physics Letters, 2000, 320 (1~2): 42~48.
[7]
Markelz A G. Terahertz dielectric sensitivity to biomolecular structure
and function. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,
2008, 14(1): 180~190.
[8] Balu R, Zhang H, Zukowski E, et al.
Terahertz spectroscopy of bacteriorhodopsin and rhodopsin: Similarities
and differences. Biophysical Journal, 2008, 94(8):3217~3226.
[9]
Markelz A G, Knab J R, Chen J Y, et al.. Protein dynamical transition in
terahertz dielectric response. Chemical Physics Letters, 2007,
442(4~6): 413~417.
[10] He Y F, Markelz A G. The Role of Structure in
the Protein Dynamical Transition. 2008 33rd International Conference on
Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2008, 1~2: 746~748.
[11]
He Y F, Ku P I, Knab J R, et al. Protein Dynamical Transition Does Not
Require Protein Structure. Physical Review Letters, 2008, 101(17):
178103.
[12] Chen H, Chen G Y, Li S Q, et al. Reversible
conformational changes of PsbO protein detected by terahertz Time-domain
spectroscopy. Chinese Physics Letters, 2009, 26(8): 084204.
[13]
Leitner D M, Gruebele M, Havenith M. Solvation dynamics of biomolecules:
modeling and terahertz experiments. HFSP Journal, 2008, 2(6): 314~323.
[14]
Kim S J, Born B, Havenith M, et al. Real-Time Detection of
Protein–Water Dynamics upon Protein Folding by Terahertz Absorption
Spectroscopy. Angewandte Chemie-international Edition, 2008, 47(34):
6486-6489.
[15] Shin H J, Oh S J, Kim S I, et al. Conformational
characteristics of beta-glucan in laminarin probed by terahertz
spectroscopy. Applied Physics Letters, 2009, 94(11): 111911.
[16] 杨丽敏, 赵夔, 孙红起, 等. 几种糖衍生物分子的THz光谱研究. 光谱学与光谱分析, 2008, 28 (5): 961~965.
Yang
L M, Zhao K, Sun H Q, et al. THz absorption spectra of several
carbohydrate derivatives. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2008, 28
(5): 961~965.
[17] Fischer B, Hoffmann M, Helm H, et al. Chemical
recognition in terahertz time-domain spectroscopy and imaging. Semicond.
Sci. Technol. 2005, 20(7), S 246~S253.
[18] Wittlin A, Genzel L,
Kremer F, et al. Far-infrared spectroscopy on oriented films of dry and
hydrated DNA. Phys. Rev. A, 1986, 34: 493.
[19] Globus T, Khromova T,
Gelmont B, et al. Terahertz characterization of dilute solutions of DNA
- art. no. 609308. Biomedical Vibrational Spectroscopy III: Advances in
Research and Industry, 2006, 6093: 9308.
[20] Fischer B M, Walther
M, Jepsen P U. Far-infrared vibrational modes of DNA components studied
by terahertz time-domain spectroscopy. Phys. Med. Biol., 2002, 47 (21):
3807.
[21] Li X W, Globus T, Gelmont B, et al. Terahertz Absorption
of DNA Decamer Duplex. Journal of Physical Chemistry A, 2008, 112(47):
12090~12096.
[22] Weng B W, Xuan G C, Kolodzey J. Empirical mode
decomposition as a tool for DNA sequence analysis from Terahertz
spectroscopy measurements. 2006 IEEE International Workshop on Genomic
Signal Processing and Statistics, 2006: 63~64.
[23] Brucherseifer M,
Nagel M, Haring Bolivar P, et al. Label-free probing of the binding
state of DNA by time-domain terahertz sensing. Applied Physics Letters,
2000, 77(24): 4 049~4 051
[24] Nagel M, Richter F, Bolivar P H, et
al. A functionalized THz sensor for marker-free DNA analysis. Physics in
Medicine and Biology, 2003, 48 (22): 3625~3636.
[25] Bründermann E,
Born B, Funkner S, et al. Terahertz spectroscopic techniques for the
study of proteins in aqueous solutions. Proceedings of SPIE, 2009, 7215:
72150.
[26] Xu J, Plaxco K W, Allen S J. Probing the collective
vibrational dynamics of a protein in liquid water by terahertz
absorption spectroscopy. Protein Science, 2006, 15: 1175~1181.
[27]
Born B, Kim S J, Ebbinghaus S, et al. The terahertz dance of water with
the proteins: the effect of protein flexibility on the dynamical
hydration shell of ubiquitin. Faraday Discuss,2009, 141:161~173.
[28]
Born B, Weingartner H, Brundermann E, et al. Solvation Dynamics of
Model Peptides Probed by Terahertz Spectroscopy. Observation of the
Onset of Collective Network Motions. Journal of the American Chemical
Society, 2009, 131(10): 3752~3755.
[29] Ebbinghaus S, Kim S J, Heyden
M, et al. An extended dynamical hydration shell around proteins.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United.
[30]
Havenith M, Leitner D, Gruebele M. The THz dance of the protein with the
water.2008 33rd International Conference on Infrared, Millimeter and
Terahertz Waves, 2008, 1~2: 238.
[31] Whitmire S E, Wolpert D,
Markelz A G, et al. Protein flexibility and conformational state: A
comparison of collective vibrational modes of wild-type and D96N
bacteriorhodopsin. Biophysical Journal, 2003, 85(2): 1269~1277.
[32]
Heyden M, Brundermann E, Heugen U, et al. Long-range influence of
carbohydrates on the solvation dynamics of water-answers from terahertz
absorption measurements and molecular modeling simulations. Journal of
the American Chemical Society, 2008, 130(17): 5773~5779.
