韋爾康奈爾醫學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種強大的新技術(shù)，能夠以高達每秒50幀的速度，生成顯示蛋白質(zhì)結構變化的“動(dòng)態(tài)影像”。

該研究的首席作者、韋爾康奈爾醫學(xué)院麻醉學(xué)研究杰出教授西蒙·舍林博士及其團隊開(kāi)發(fā)了這一新方法，目的是深入了解生物分子結構隨時(shí)間的變化。盡管此領(lǐng)域的研究者們能夠將靜態(tài)蛋白質(zhì)及其他分子精細成像到原子級別，但這些成像所呈現的只是靜態(tài)快照。而記錄分子結構的動(dòng)態(tài)變化——制作動(dòng)態(tài)影像——則一直是一個(gè)巨大的挑戰。該研究的主要作者是韋爾康奈爾生物醫學(xué)科學(xué)研究生院的博士研究生姜一寧。

他們的研究成果已于4月17日發(fā)表在《自然結構與分子生物學(xué)》期刊上。在研究中，研究團隊采用了一種名為高速原子力顯微鏡（HS-AFM）的新型測量技術(shù)。這項技術(shù)使用極其敏感的探針來(lái)掃描分子表面，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)觸感來(lái)識別結構。作為一項關(guān)鍵的創(chuàng )新，科學(xué)家們找到了一種方法來(lái)隔離目標分子——單個(gè)蛋白質(zhì)，有效避免了蛋白質(zhì)之間相互作用的干擾，從而實(shí)現了更快更精確的掃描。

圖片信息：高速原子力顯微鏡可以表征氨基酸轉運體在其開(kāi)放（a, b, c）和封閉（d, e）狀態(tài)之間可能采用的結構形狀的整個(gè)景觀(guān)（黃紅色區域，種群密度線(xiàn)）。構象圖一角的分子（右上紅色）被發(fā)現處于非活性狀態(tài)。

研究人員將這種新的單分子HS-AFM技術(shù)應用于一種名為GltPh的蛋白質(zhì)上。GltPh是一種位于細胞膜中的“轉運蛋白”，負責指導神經(jīng)遞質(zhì)分子進(jìn)入細胞。由于其復雜的動(dòng)態(tài)特性以及在健康和疾病中的重要作用，這類(lèi)轉運蛋白一直是結構生物學(xué)家極為關(guān)注的研究對象。

研究人員獲得了有關(guān)GltPh的動(dòng)態(tài)結構數據，這些數據在空間和時(shí)間分辨率上達到了前所未有的高度，并且非常穩定，使他們能夠連續幾分鐘內記錄GltPh結構的微小波動(dòng)。在此類(lèi)蛋白中，一個(gè)被稱(chēng)為“漫游熱情”動(dòng)力學(xué)的現象尚未得到解釋?zhuān)枋隽朔肿釉诟叩突钚阅Ｊ街g無(wú)明顯原因的功能性變化。這項研究揭示了GltPh的一種前所未見(jiàn)的結構狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，轉運蛋白被鎖定并處于功能休眠狀態(tài)，為“漫游熱情”動(dòng)力學(xué)提供了解釋。

研究團隊強調，他們正在持續優(yōu)化的新技術(shù)，可廣泛應用于包括膜嵌入型蛋白在內的其他蛋白質(zhì)的研究?？傮w來(lái)說(shuō)，這項工作為實(shí)時(shí)追蹤蛋白質(zhì)在其活躍與休息周期中的精確結構開(kāi)辟了新的可能性。

雜志：Nature Structural & Molecular Biology

DOI：10.1038/s41594-024-01260-3