Sub-microsecond conformational dynamics in an optical nanocavity

想象一下，你正试图观察一名舞者表演复杂的舞步，但这位舞者是隐形的，舞台漆黑一片，而你只能通过钥匙孔窥视短短一瞬。这就是科学家在试图理解蛋白质——这些存在于每个活细胞内的微小工作机器——如何运动和改变形状时所面临的挑战。这些形状变化的瞬间至关重要；它们是我们身体识别病毒、消化食物以及在细胞间传递信号的方式。然而，这些变化发生得极其迅速，通常在百万分之一秒内，而且由于它们太小，传统的显微镜无法在不贴上明亮发光标签的情况下看到它们。但问题在于，这些标签就像沉重的背包，会减慢舞者的速度或改变其动作，从而导致观察结果不准确。此外，由于蛋白质非常活跃，会像暴风雨中的落叶一样随机移动（这种现象被称为布朗运动），因此想要追踪单个蛋白质特定的舞步而不迷失在噪声中，几乎是不可能的。

现在，一支研究团队打造了一台高速、超灵敏的摄像机，它完全不需要为舞者添加标签。他们创造了一个微小的光纤传感器，充当了一个超安静、超稳定的舞台。他们并没有试图用强力将蛋白质固定在原位，因为那样可能会压碎它，而是温柔地引导它进入一个既能自由活动又能保持可见的表面。这个新设备如此快速且稳定，以至于它可以在不到百万分之一秒的时间内观察单个蛋白质如何改变形状，并在长达数分钟的单次连续电影中捕捉到数千个这样的微小“舞步”。通过这样做，他们发现蛋白质并不只是随机运动；它们拥有记忆，会犹豫，并以一种此前因科学家只关注数百万蛋白质的平均值而隐藏起来的方式在不同形状之间切换。这为我们打开了一扇观察生命秘密、快速舞动的新窗口，帮助我们理解这些分子机器在健康状态下是如何运作的，以及当它们功能失调时发生了什么。

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超灵敏蛋白质摄像机

由昆士兰大学的 Heehun Sung 和 Warwick Bowen 领导的研究小组开发了一种新型传感器，用于在不接触蛋白质的情况下观察其“舞蹈”。可以将他们的设备想象成刻在硅芯片上的一个微小的、一维的“槽口”，它就像一个超强大的光的放大镜。当光被困在这个槽口中时，它会创造出一个非常均匀、柔和的场。

通常，当科学家试图捕捉单个蛋白质进行观察时，光场就像一个崎岖不平的山丘。蛋白质会被这些起伏推搡和拉扯，由于其天然的热驱动运动（布朗运动）而剧烈抖动。这种抖动产生的噪声如此之大，以至于淹没了蛋白质细微且有意义的形状变化。作者意识到，要看到蛋白质真实的动作，他们需要“抹平”这个山丘。他们设计了这个硅槽，使光场变得极其平滑且均匀。这种平滑性将蛋白质的抖动抑制了 60 倍，有效地消除了背景噪声，从而让蛋白质实际的结构变化能够清晰地被“听到”。

铁蛋白舞者

为了测试他们的新型传感器，他们使用了一种名为铁蛋白（ferritin）的蛋白质，这本质上是一种存在于我们体内的微小铁存储笼。他们将单层此类蛋白质放置在传感器上，并观察发生了什么。

首先，他们看到蛋白质粘附在表面，形成了一个“硬层”。一旦这一层稳定下来，他们就开始观察其中与该层弱连接的单个蛋白质。这些蛋白质并未被紧紧固定；它们处于一种“软层”状态，允许它们在保持在原处的同时进行摆动和位移。

传感器检测到了令人惊叹的现象：蛋白质在两种不同的形状之间进行着明显的“跨步”。这并非平滑的滑动，而是从一种状态到另一种状态的突然跳跃。

• 速度： 他们可以分辨出低至 400 纳秒（即 0.0000004 秒）的跳跃。
• 容量： 在仅持续 8.5 秒 的单次测量中，他们追踪了一个蛋白质超过 71,000 次转换（步阶）。在对另一种类型的蛋白质进行 1 秒钟的测量时，他们看到了超过 12,000 步。

这种细节水平在以前是无法实现的。旧的方法只能看到数百万蛋白质的平均值，这模糊掉了这些快速的、个体的步骤。

这些舞步告诉了我们什么

通过实时观察这些舞步，研究人员发现蛋白质具有“记忆”。

• 记忆效应： 当蛋白质在一种形状停留一段时间后，它的下一步动作取决于它在该形状停留了多久。这表明蛋白质的内部结构正在后台缓慢发生变化，从而影响其当前的动作。
• 异质性： 并非所有的蛋白质都是一样的。即使在同一批次中，有些蛋白质的运动方式也与其他蛋白质不同。这种“个性”在以往通过平均化处理的研究中是被隐藏起来的。

他们还测试了环境如何改变这场“舞蹈”：

1. 盐浓度： 当他们增加溶液中的盐浓度时，蛋白质的“跨步”停止了，并稳定在单一形状中。这表明盐起到了一种稳定剂的作用，将蛋白质的外壳锁定在原位。
2. 铁芯： 他们对比了带有铁芯的铁蛋白（holoferritin）与不带铁芯的铁蛋白（apoferritin）。不带铁芯的版本稳定性较差，即使在高盐水平下也会持续跨步。这证实了铁芯有助于加固蛋白质的外壳。

为什么这很重要

作者认为，这些快速的跨步很可能是蛋白质在开启和关闭其微小的通道，以便让铁元素进出——这是模拟实验所预测的，但直到现在才被真正观测到的过程。由于他们的传感器是基于硅芯片构建的，他们可以同时制造数百个这样的传感器。这意味着该技术最终可以规模化，用于筛选数千种药物或研究不同蛋白质之间的相互作用，且无需使用可能改变蛋白质自然行为的荧光标签。

研究人员谨慎地指出，尽管他们非常有信心这些跨步代表了蛋白质形状的变化，但他们仍在努力排除其他可能性，例如蛋白质仅仅是在传感器上的不同位置跳跃。然而，由于这些跨步取决于盐水平和铁芯的存在，且其他蛋白质（如过氧化氢酶）并未表现出相同的跨步行为，这有力地支持了他们正在观察蛋白质内部结构变化的观点。

这项工作不仅给了我们一个更快的相机；它还给了我们一种新的方式，去聆听那些维持我们生命的分子所进行的快速、细微的对话。