拍摄运动中的蛋白质

　　蛋白质是生物化学的重器。这些结实的分子扮演着积木、受体、处理器、信使和催化剂的角色。自然，科学家们投入了大量的研究来理解和操纵蛋白质。

　　

蛋白质是生物化学的重器。这些结实的分子扮演着积木、受体、处理器、信使和催化剂的角色。加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授Mark Sherwin解释说:“蛋白质是为地球上所有生命提供动力的分子机器。”自然，科学家们投入了大量的研究来理解和操纵蛋白质。

由加州大学圣巴巴拉分校的研究人员领导的一个团队，包括Sherwin，在解决现代科学的一个重大挑战方面取得了长足进展:在逼真的环境中记录运动中的蛋白质。作者在德国化学学会杂志《Angewandte Chemie》上讨论了他们的技术。这种方法可以彻底改变我们对蛋白质如何工作的理解，并为特定目的的蛋白质设计提供指导。

艰巨的挑战

理解蛋白质的功能需要的不仅仅是其组成部分的列表。对于这些分子来说，形式产生功能。在过去的20年里，科学家们根据构成蛋白质的氨基酸来破译蛋白质的形状，并取得了巨大的进展。

然而，即使看到机器的形状通常也不足以理解它的工作原理。“想象你是一个外星人，你看到了一张缝纫机的图片，”Mark Sherwin说。“你很难弄清楚它是做什么的。但如果你看过视频，你会有更好的想法。”

不幸的是，这对蛋白质来说是一个很高的要求。虽然它们是相对较大的分子，但蛋白质的大小仍然只有几纳米，即使是最强大的光学显微镜，也比我们所能分辨的要小100倍。而且它们存在于潮湿潮湿的环境中，不利于视频拍摄。

“一般来说，生物学中最大的挑战之一是观察蛋白质的作用，”当蛋白质被冷冻时，科学家们更容易观察它们的结构。要观察它们的移动需要一种类似定格动画的技术:开始动作，冻结蛋白质，捕捉图像，重复。这对于快动作和慢动作来说都是非常困难的。最重要的是，快速冷冻蛋白质会影响它的结构。

“我们的目标是完全去除冻结的部分，并在尽可能逼真的环境中观察蛋白质的运动。”

复杂的技术

这篇论文展示了一种新的方法，在蛋白质的运动被外部事件(在这种情况下，可见光脉冲)触发后，跟踪蛋白质在逼真环境中的运动。作者称这项技术为TiGGER(时间分辨钆-钆电子顺磁共振)。它是精细的，需要量子现象、熟练的化学、专业设备和生物工程。

TiGGER包括在蛋白质上标记两个点，并在蛋白质展开和折叠时跟踪这些标签之间的距离。这场展览的主角是一个带电的钆原子或离子。它的电子以这样一种方式排列，离子就像一个小磁铁。如果你把它放在一个强磁场中，它会与外部磁场对齐或相反，并开始摆动。

科学家们将钆放入分子笼中以稳定它，并添加一些化学支架将其与蛋白质连接起来。但这些片段只连接到一种氨基酸，半胱氨酸。因此，研究小组必须在不影响蛋白质整体功能的情况下，改变他们想要标记成半胱氨酸的氨基酸。这项任务因为蛋白质中心的半胱氨酸而变得更加棘手，而半胱氨酸对蛋白质的功能至关重要。

“spin标签的选择非常有战略意义，”Maity说。“它足够大，不能进入蛋白质的核心，也就是功能型半胱氨酸所在的地方。但它也不会太大，不会破坏蛋白质的自然形状。”

钆离子的摆动或“进动”受到另一个标签的接近程度的影响，另一个标签有自己的摆动的钆离子，产生自己的小磁场。这种进动根据两个标签彼此之间的距离而变化。测量这个摆动，你就能推导出距离。

这正是作者使用比微波炉能量略高的激光所做的。当这些亚太赫兹波的频率和离子的进动相匹配时，这些波就会被吸收。然后，科学家们测量了这种吸收，以检测钆进动的微小变化。如果吸收量随时间变化，这意味着标签在移动。

添加更多的数学运算，作者甚至可以告诉您标签之间的距离。普莱斯说:“我们知道我们可以把距离作为时间的函数，但这需要更多的发展。”

发光蛋白

作者选择了一种常见的多功能蛋白来开发TiGGER。他们的模型属于光、氧或电压(LOV)敏感蛋白家族，特别是一种被称为AsLOV2的光激活蛋白。“LOV蛋白控制的过程从细菌、植物和真菌的昼夜节律到植物和微生物的趋光性，”分子、细胞和发育生物学系助理教授、合著者Max Wilson说。“总而言之，它们与光感知密切相关。”

这种特性使得AsLOV2很受科学家和工程师的欢迎，而且操作简单。普莱斯说:“这很有趣，是一个完美的测试案例，是一个两全其美的情况。”

LOV蛋白使科学家能够利用光作为“遥控器”来控制细胞中的整个分子过程。威尔逊说:“我们用它来控制干细胞分化、抗体结合、细胞外基质蛋白的硬化和松弛，以及细胞信号通路的激活。”

化学工程系的助理教授Arnab Mukherjee利用荧光技术(就像黑光灯下的荧光笔一样)，利用LOV蛋白来跟踪活细胞中的生化过程。他解释说:“与传统的荧光蛋白不同，LOV蛋白通过一种独特的机制运作，即使在无氧条件下也能看到它们的‘发光’。”这为研究生活在厌氧环境中的微生物(如人类肠道)提供了一种工具。

但要设计这些蛋白质来做研究人员想要的事情是很棘手的。这就是跳跳虎派上用场的地方。如果像威尔逊和慕克吉这样的科学家能够看到运动中的蛋白质，他们就可以在设计过程中更加谨慎。

放眼未来

资深作者Sherwin和化学教授Songi Han于2006年首次开始探索拍摄蛋白质，但TiGGER仍处于早期阶段。目前，这项技术可以生成蛋白质在两点之间运动的一维轨迹。但它真正的力量来自于在几个不同的地点重复这种技术。这使得科学家能够将蛋白质的运动拼凑成一个整体。然后，他们可以将这种运动映射到蛋白质模型上，以类似于将我们最喜欢的卡通人物栩栩如生的CGI动画的方式制作电影。

作者在投入时间将该技术应用于AsLOV2上的其他站点之前，专注于优化该技术。他们正在努力提高信噪比，并加快仪器的采样速度。该团队还希望减缓蛋白质悬浮在溶液中的随机运动，这将使他们能够捕捉到比现在更清晰的镜头。

与此同时，Price和Maity正在使用TiGGER来回答有关AsLOV2的一些基本问题。例如，为什么蛋白质展开的速度比折叠的速度快1000多倍?已知的影响折叠的突变是如何影响展开的呢?他们还在研究高温环境如何影响蛋白质的功能。研究结果可能会揭示燕麦——AsLOV2的来源——将如何应对气候变化。

最终，TiGGER可以被翻译成各种其他蛋白质，只要科学家们能在不影响蛋白质功能的情况下，将感兴趣的位点修改为半胱氨酸氨基酸。“生物物理学家一直在努力拍摄运动中的蛋白质，以深入了解它们的生物学功能，”Maity说。“跳跳虎有可能让这个梦想成真。”

Journal Reference:

1. Shiny Maity, Brad D. Price, C. Blake Wilson, Arnab Mukherjee, Matthieu Starck, David Parker, Maxwell Z. Wilson, Janet E. Lovett, Songi Han, Mark S. Sherwin. Triggered Functional Dynamics of AsLOV2 by Time‐Resolved Electron Paramagnetic Resonance at High Magnetic Fields. Angewandte Chemie International Edition, 2023; 62 (13) DOI: 10.1002/anie.202212832