《Advanced Science》：Design of Optical Transducer for Recognition of Biomolecular Interactions between Bacterial Lipopolysaccharides and Amino Acids
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本文报道了一种基于液晶（LC）的光学换能器，可自主、快速、灵敏地识别并光学报告界面生物分子相互作用。研究揭示了结构相似的氨基酸（谷氨酸Glu和天冬氨酸Asp）在LC-水界面独特的吸附-解吸动力学及其与LC取向的特异性耦合。该机制受pH和细菌副产物（如脂多糖LPS）调控，并能将微小的分子事件放大为宏观光学信号。基于此原理，该系统可在1分钟内识别出痕量沙门氏菌（102CFU/mL），速度远超传统方法，为设计新型生物传感器、医疗诊断和环境监测工具提供了创新思路。
引言：界面生物分子识别的重要意义
发生在界面上的生物分子现象是生物系统中的普遍事件，例如细胞膜动力学、免疫反应和细胞信号传导。识别此类界面事件对于理解生物分子相互作用至关重要，并为设计细胞分析、生物标志物筛选和生物传感器等实际应用提供了基础。液晶（LC）作为一种介于各向同性液体和晶体固体之间的中间相物质，因其独特的流动性、长程分子有序性和各向异性特性（如双折射、介电性、弹性），为设计简单、通用的生物分子事件识别系统提供了有前景的平台。LC出色的刺激响应和信号放大能力已被广泛用于光学识别生物分子的分子间相互作用和界面行为。
结果与讨论
1. 用于特定生物分子事件的LC基光学换能器
研究采用垂直（垂面）取向的微米厚LC薄膜作为敏感界面。通过在玻璃基板上化学处理二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅基）丙基]氯化铵（DMOAP），并在LC-水界面用带有两个十二碳烷基链的有机离子塑料晶体（OI-C12）修饰，实现了稳定的垂面LC取向。当含有沙门氏菌的LB肉汤培养基被引入上覆水相时，在10分钟内LC-水界面出现了双折射区域，并在50分钟内逐渐扩大，表明LC分子发生了从垂面到展曲的取向转变，并伴随光学上从暗态到亮态的转变。实验进一步表明，LB培养基中的特定成分是驱动LC取向转变的关键，而沙门氏菌的存在显著加速了这一过程。相比之下，传统的PCR和ELISA方法需要至少6小时，而此LC系统在未优化的情况下即可实现更快的检测，显示出其应用潜力。
2. Glu和Asp在LC-水界面的吸附-解吸动力学
通过对LB培养基各组分进行分析，研究发现谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）这两种结构非常相似但在生物组织中功能不同的氨基酸，是触发LC-水界面垂面到展曲锚定转变的关键组分。在含有Glu或Asp的水溶液中，垂面的薄LC膜在10分钟内经历了从暗到亮的光学转变，表明氨基酸吸附在界面并驱动了LC的取向转变。然而，不同于在LB溶液中的持久亮态，在纯Glu或Asp溶液中，LC的取向会在大约10分钟后逐渐恢复初始的垂面锚定，表明氨基酸随后发生了解吸。动态界面张力测量也证实了Glu和Asp在界面的吸附-解吸过程。值得注意的是，虽然Glu和Asp结构相似，但LC系统能对它们产生明显不同的光学响应，这为区分这两种在生物医学中具有不同功能的重要氨基酸提供了简便工具。
此外，研究发现LB培养基中的阳离子氨基酸赖氨酸（Lys）是关键组分，它能稳定Glu和Asp在LC界面的吸附。Lys与带负电的Glu/Asp通过静电作用形成复合物，加之其疏水性脂肪尾倾向于插入LC中，阻碍了氨基酸的解吸，从而导致LC膜的亮态得以持续。
3. Glu/Asp的界面动力学及其与LC的取向耦合对pH的依赖性
研究发现，上覆水溶液的pH条件对Glu和Asp在LC-水界面的吸附-解吸过程有重要影响。在不同pH缓冲液中，垂面的LC膜表现出不同的光学响应。在低pH 1.5和高pH 6.2条件下，诱导的亮态似乎更稳定，初始垂面锚定不会恢复，表明Glu和Asp的界面解吸受阻。而在pH 3.6时，则观察到瞬态的光学转变。
通过计算不同pH下Glu和Asp的解离分数，结合实验观察，可以得出：（1）带负电的Glu-和Asp-比其他物质更优先吸附并稳定在LC-水界面；（2）呈电中性的Glu0和Asp0是造成瞬态锚定转变（即Glu和Asp解吸）的原因；（3）带正电的Glu+的界面吸附显著弱于Asp+。
密度泛函理论（DFT）计算进一步在分子水平上揭示了Glu/Asp电荷状态如何调控它们与LC的相互作用。计算确定了两种稳定的结合模式：面对面和边对边，分别对应于LC的展曲和垂面锚定。计算结果表明，阴离子Glu-/Asp-、中性Glu0/Asp0和阳离子Asp+在能量上更倾向于与LC形成面对面构型，从而在LC-水界面触发LC分子朝向展曲锚定的有序转变，而阳离子Glu+则倾向于诱导边对边构型，这与实验观察到的弱光学转变或无转变现象相符。
4. Glu/Asp与沙门氏菌脂多糖（S-LPS）形成复合物后的界面动力学
为了探究为何沙门氏菌在LB溶液中能显著加速LC膜的锚定和光学转变，研究聚焦于细菌副产物脂多糖（LPS）。LPS是革兰氏阴性细菌（如沙门氏菌、大肠杆菌）细胞壁的主要成分。通过DFT计算和实验验证，研究发现沙门氏菌LPS（S-LPS）能通过静电相互作用与带负电的Glu-和Asp-形成稳定的S-LPS复合物。片段配对局域能量分解（fp-LED）分析表明，这种稳定作用主要源于氨基酸羧酸根与S-LPS头部4-氨基-4-脱氧-L-阿拉伯糖（Ara4N）的铵基之间的有利静电相互作用。
与Lys复合物（单尾）相比，S-LPS复合物具有更多的脂肪尾（七尾），这更有利于其嵌入LC分子之间，从而进一步促进了Glu-和Asp-在LC-水界面的吸附和稳定，导致LC的光学响应加快。实验也验证了，LB溶液中S-LPS的存在可显著加速LC的光学转变，其效果与含有沙门氏菌细胞的LB溶液相当，证明S-LPS是触发LC快速取向转变的关键成分。
研究还探讨了其他细菌副产物，如来自金黄色葡萄球菌的脂磷壁酸（SA-LTA）和来自大肠杆菌的LPS（EC-LPS）。DFT计算和结合能分析表明，Glu-/Asp-与S-LPS的结合最强，其次是SA-LTA，最弱是EC-LPS。实验观察到的LC光学转变速率也遵循相同趋势，即S-LPS最快，SA-LTA次之，EC-LPS最慢。这为设计能够识别特定生物分子相互作用的LC系统提供了基本原理。
5. LC基识别系统的超高灵敏度和响应时间
研究进一步探讨了LC系统光学/锚定转变特性对沙门氏菌浓度（CS）、OI脂肪尾长度和LC几何形状的依赖关系，以实现对系统灵敏度和响应时间的高水平调控。结果表明，LC膜的响应速度与CS呈正相关，使其不仅能识别沙门氏菌的存在，还能通过光学强度的变化来定量检测其浓度。
通过缩短OI的脂肪尾长度（如用OI-C10或OI-C8替代OI-C12），可以降低LC-OI的取向耦合强度，从而显著提高LC膜的灵敏度。采用OI-C8的LC膜，即使在低至102CFU/mL的沙门氏菌浓度下，也能在1分钟内产生可区分的快速光学响应。
此外，与平面薄膜相比，液滴几何形状能诱导LC内部产生更大的弹性应变，从而使其对界面分析物吸附的响应更加敏感。流式细胞术分析表明，OI-C12修饰的LC液滴在含沙门氏菌的LB溶液中可在6分钟内完成从径向（垂面）到双极（展曲）构型的完全转变，而采用OI-C10和OI-C8的液滴响应时间可进一步缩短至3分钟和1分钟，展现出无与伦比的快速识别能力。
结论
总而言之，基于对LC与氨基酸及其生物分子复合物之间存在显著取向耦合的发现，本研究设计了一种LC基光学换能器，用于识别生物分子的特异性界面行为，并通过明显的宏观光学信号进行报告。研究阐明了Glu和Asp在LC-水界面的独特吸附-解吸动力学，该过程受pH条件和Lys等生物分子存在的影响。研究发现，细菌副产物LPS能与Glu/Asp形成复合物，并通过其脂肪尾增强在界面的吸附和稳定，从而加速LC的响应。结合DFT计算，从分子层面揭示了相互作用的本质。通过调整CS、OI尾长和LC几何结构，研究实现了对系统灵敏度和识别时间的精确调控，最终构建出可在1分钟内识别痕量沙门氏菌（102CFU/mL）的实用化LC系统。该研究所揭示的深层机制不仅为理解生物分子的界面动力学及其相互作用提供了基础见解，也预示了LC基识别系统在生物传感器、医疗诊断和环境监测等广泛领域的巨大应用潜力。
