ACS AMI┃原子力显微镜解密新冠病毒刺突蛋白与固体表面相互作用的纳米力学研究

英文原题：A Nanomechanical Study on Deciphering the Stickiness of SARS CoV 2 on Inanimate Surfaces

通讯作者：刘季芳，广州医科大学；曾宏波，加拿大阿尔伯塔大学

作者：Lei Xie, Fenglin Liu, Jifang Liu, and Hongbo Zeng

自2019年12月以来，SARS-CoV-2新冠病毒引发了全球性疫情，并导致8000多万确诊病例和190多万死亡病例。新冠病毒主要通过呼吸道飞沫和接触途径在人与人之间传播，同时也可通过间接接触被感染者接触的物品传播。保持社交距离被认为是预防直接接触传播的有效策略，但如何有效地避免间接接触传播仍然具有挑战性，其根本问题在于目前在新冠病毒与固体基质间表面相互作用和粘附行为方面的理解不充分。

刺突蛋白是位于新冠病毒最外层的I型病毒融合蛋白，可以组装折叠形成冠状的纳米结构（图1A）。考虑到刺突蛋白在病毒感染中的关键作用，表征刺突蛋白的吸附行为和粘附强度有助于阐明新冠病毒污染固体表面的分子机制，并进一步评估固体表面的病毒载量。为解决上述问题，曾宏波教授团队与合作者通过原子力显微镜定量测量了新冠病毒外表面刺突蛋白与固体基质在模拟呼吸道飞沫环境中表面相互作用的纳米力学（图1B）。

图1. 新冠病毒病原体结构及刺突蛋白修饰的探针与固体表面在模拟呼吸道飞沫环境中纳米力学测量的示意图

为了探测刺突蛋白的纳米力学性质，原子力显微镜探针需接枝刺突蛋白。通过11-巯基十一烷酸自组装，镀金探针表面可形成端基为羧基的单分子层，再经碳二亚胺活化羧基，使其与刺突蛋白的氨基发生反应，从而形成稳定的刺突蛋白涂层。探针表面的刺突蛋白涂层可通过原子力显微镜成像、接触角测量、氦离子显微镜成像和俄歇电子能谱等多种方式进行表征。探针在修饰蛋白前后展现出不同的形貌和相图（图2A&2B），蛋白紧密且均匀地排列在探针上，进而导致在修饰蛋白后探针悬臂基座的粗糙度从0.76 nm提高到0.90 nm，接触角从28.4°提高到40.2°。氦离子显微镜对修饰蛋白的探针针尖上的绝缘蛋白涂层进行了亚纳米级高分辨率成像（图2C），俄歇电子能谱也检测到在修饰蛋白的探针表面存在氮元素峰（图2D）。

图2. 原子力显微镜探针的表征

为确保纳米力学测量的精确性，修饰蛋白的探针在固体样品上扫描得到力-距离曲线的二维谱图，其包含上百条力学曲线和粘附力信息。图3展示了刺突蛋白和四个典型的固体表面（玻璃、金、不锈钢和聚苯乙烯）在pH 5.6的10毫摩尔氯化钠溶液中的力-距离曲线和粘附力分布图。在探针-表面接近过程中，玻璃展现出长程的静电排斥力；除了长程静电排斥力，金和不锈钢在近距离展现出很强的范德华引力；而聚苯乙烯则展现出长程的疏水引力。在探针-表面分离过程中，玻璃展现出最弱的粘附力/能，为5.71 mN/m / 0.91 mJ/m²，其主要来源于氢键作用；金和不锈钢展现出较强的粘附力/能，为20.23 mN/m / 3.22 mJ/m²（金）和47.02 mN/m / 7.48 mJ/m²（不锈钢），其主要来源于配位作用；而聚苯乙烯则展现出最强的粘附力/能，为70.58 mN/m / 11.23 mJ/m²，其主要来源于疏水作用。

图3. 刺突蛋白与四个典型固体表面在氯化钠溶液中的力-距离曲线和粘附力分布图

研究进一步发现，相对于蛋白-玻璃及蛋白-金之间的粘附能，蛋白-不锈钢及蛋白-聚苯乙烯之间的粘附能受pH值的影响更大。总体来说，随着pH值增加，粘附能降低，主要是由于蛋白和固体表面的带电量增大进而导致了静电排斥力增强。温度升高对蛋白-玻璃之间的粘附能影响不大，但显著提高了蛋白-金及蛋白-不锈钢之间的粘附能，主要是因为升温导致了金属与蛋白之间配位作用增强。另外，基于疏水力的熵驱动原理，加热会使蛋白的构型重组，熵增加，进而导致了蛋白-聚苯乙烯之间粘附能增强。

除了这四个典型的表面，一系列常见的无机、金属和有机材料被用于测量与刺突蛋白的分子间作用力。基于纳米力学测量手段，发现了刺突蛋白的粘附能分为以下三种情况（图4）：

（1）亲水无机物（如二氧化硅、玻璃）：0–1 mJ/m²，氢键作用主导；

（2）金属（如氧化铝、不锈钢、铜）：2–9 mJ/m²，配位作用主导；

（3）疏水高分子（如医用口罩、护目镜、丁腈手套）：6-11 mJ/m²，疏水作用主导。

图4. 刺突蛋白与一系列固体表面在氯化钠溶液中的粘附力/能

该研究表明了材料表面亲水性的改变或化学添加剂可有效地调节疏水和氢键作用，并作为调控新冠病毒粘附的新策略。此外，新冠病毒与固体表面的粘附对病毒在不同表面存活时间会起到一定的影响。此工作建立了关于新冠病毒蛋白-固体表面分子间作用力的数据模型，为设计更有效的病毒传播预防策略提供了理论基础。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，谢磊博士（现为中南大学教授）和刘凤麟博士（现为中科院深圳先进院副研究员）为文章的第一作者，刘季芳教授和曾宏波教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Nanomechanical Study on Deciphering the Stickiness of SARS-CoV-2 on Inanimate Surfaces

Lei Xie, Fenglin Liu, Jifang Liu*, Hongbo Zeng*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 58360–58368, DOI: 10.1021/acsami.0c16800

Publication Date: December 18, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）