蛋白质是生物化学的重担。这些强壮的分子充当构建块、受体、处理器、信使和催化剂。“蛋白质是地球上所有生命的分子机器,”加州大学圣巴巴拉分校物理学教授Mark Sherwin解释说。当然,科学家们已经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大挑战方面取得了长足的进步: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的期刊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完成其工作的理解,并指导针对特定目的的蛋白质设计。
艰巨的挑战
了解蛋白质的功能需要的不仅仅是其部分的列表。对于这些分子,形式产生功能。在过去的20年里,科学家们在根据形成蛋白质的氨基酸构建块破译蛋白质的形状方面取得了巨大进展。
然而,即使看到机器的形状也不足以理解它是如何工作的。“想象一下你是一个外星人,你看到缝纫机的照片,”舍温说。“你很难弄清楚它的作用。但如果你看过一部电影,你会有一个更好的主意。
不幸的是,这对蛋白质来说是一项艰巨的任务。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,比我们用最强大的光学显微镜所能分辨的要小100倍。它们存在于潮湿、柔软的环境中,不利于电影摄影。
“一般来说,生物学中最大的挑战之一是看到蛋白质在起作用,”共同主要作者,化学博士生Shiny Maity解释说。科学家在冷冻时更容易观察蛋白质的结构。要看到它们移动,需要一种类似定格动画的技术:开始动作,冻结蛋白质,捕获图像,然后重复。对于快速和慢速运动来说,这通常都非常困难。最重要的是,快速冷冻蛋白质会影响其结构。
“我们的目标是完全去除冷冻方面,并在尽可能接近逼真的环境中观察蛋白质的运动,”共同主要作者,物理学研究生Brad Price说。
复杂的技术
本文展示了一种在外部事件(在这种情况下为可见光脉冲)触发蛋白质运动后,在逼真的环境中跟踪蛋白质运动的新方法。作者称该技术为TiGGER,用于时间分辨钆 - 钆电子顺磁共振。它是复杂的,需要量子现象,熟练的化学,专业设备和生物工程。
Tigger 涉及标记蛋白质上的两个点,并在蛋白质展开和重新折叠时跟踪这些标记之间的距离。该节目的明星是带电的钆原子或离子。它的电子排列在一起,使离子表现得像一个小磁铁。如果将其放置在强磁场中,它将与外部磁场对齐或反对外部磁场并开始摆动。
科学家将钆稳定在分子笼中,并添加一些化学支架将其与蛋白质连接起来。但这些位只与一种氨基酸有关,半胱氨酸。因此,研究小组不得不将他们想要标记的氨基酸改变为半胱氨酸,而不会影响蛋白质的整体功能。蛋白质中心的半胱氨酸对其功能至关重要,使这项任务变得更加棘手。
“旋转标签的选择非常战略性,”Maity说。“它足够大,不会进入蛋白质的核心,功能性半胱氨酸所在的位置。但它也不会太大,以至于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钆离子,产生自己的小磁场。此岁差根据两个标签之间的接近程度而变化。测量这个摆动,你可以得出距离。
这正是作者使用能量略高于微波炉的激光所做的。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,则标签正在移动。
添加更多的数学,作者甚至可以告诉你标签彼此之间的距离有多远。“我们知道我们可以获得距离作为时间的函数,但这需要更多的发展,”普莱斯说。
一种提亮的蛋白质
作者选择了一种流行且用途广泛的蛋白质来开发Tigger。他们的模型属于光,氧或电压(LOV)敏感蛋白质家族,特别是一种称为AsLOV2的光激活蛋白。
“LOV蛋白控制从细菌,植物和真菌中的昼夜节律到植物和微生物的向光性等过程,”共同作者,分子,细胞和发育生物学系助理教授Max Wilson说。“总之,它们与光传感密切相关。
这一特性使AsLOV2受到科学家和工程师的欢迎,并且易于操作。“这很有趣,也是一个完美的测试案例,”普莱斯说,“一个两全其美的情况。
LOV蛋白使科学家能够使用光作为细胞中一系列分子过程的“遥控器”。“我们用它来控制干细胞分化,抗体结合,细胞外基质蛋白的加强和松弛,以及细胞信号通路的激活,”Wilson说。
化学工程系的助理教授Arnab Mukherjee使用LOV蛋白使用荧光来跟踪活细胞中的生化过程,就像黑光下的荧光笔一样。
“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使它们的'发光'可见,”他解释说。这为研究生活在厌氧环境中的微生物(如人体肠道)提供了一种工具。
但是,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Wilson和Mukherjee这样的科学家能够看到运动中的蛋白质,他们的设计过程可能会更加深思熟虑。
展望未来
资深作者Sherwin和化学教授Songi Han于2006年首次开始探索蛋白质,但对于Tigger来说仍处于早期阶段。目前,该技术可以产生蛋白质在两点之间运动的一维轨迹。
但它的真正力量来自于在几个不同的地点重复这项技术。这使科学家能够将蛋白质作为一个整体的运动拼凑在一起。然后,他们可以将这种运动映射到蛋白质的模型上,以创建类似于CGI动画的电影,使我们最喜欢的卡通人物栩栩如生。
作者专注于优化该技术,然后再花时间将其应用于AsLOV2上的其他站点。他们正在努力提高信噪比并提高仪器的采样速度。该团队还希望减缓蛋白质悬浮在溶液中的随机运动,这应该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,为什么蛋白质的展开速度比重新折叠快1倍以上?已知影响再折叠的突变如何影响展开?他们还在研究更热的条件如何影响蛋白质的功能。结果可以显示燕麦 - AsLOV000的来源 - 将如何应对气候变化。
最终,TiGGER可以翻译成各种其他蛋白质,只要科学家能够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。“Tigger 有潜力让这个梦想成真。