Sub-100 ns transition paths in unmodified single protein measurements
本文介绍了用于观察未修饰单蛋白在从纳秒到小时的广阔时间范围内动态变化的温度跳变纳米孔光学镊子（TJ-NOTs），揭示了牛血清白蛋白中低于 100 纳秒的超快转变过程，并弥合了分子动力学模拟与生物相关时间尺度之间的鸿沟。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
蛋白质是生命的动力源泉，它们是微小的分子机器，通过折叠成精确的形状来执行从血液中运输氧气到复制遗传指令等各种任务。为了让这些机器发挥作用，它们必须维持特定的结构，但它们并非静止的雕像；它们在不断地移动、呼吸，偶尔甚至会完全改变形状。科学家早已知晓这些变化可以在极广的时间范围内发生。有些转变很慢，持续数秒甚至数分钟；而另一些则快到极点，以至于曾被认为目前的现有技术几乎无法捕捉。挑战在于，如何构建一种工具，能够在不接触单个蛋白质分子、不在其上粘贴可能改变其运动方式的荧光标签的情况下观察它，且不会错过它从一种形状切换到另一种形状时的瞬时时刻。如果研究人员能够观察到这些极速的转变，他们就能最终将计算机模型预测的超快运动与在现实世界中观察到的较慢的生物相关变化联系起来。
现在，一个研究小组开发出了一种能够实时观察这些事件的方法，能够捕捉到发生时间少于一百纳秒的蛋白质运动。利用一种被称为“温度跳变纳米孔光镊”的技术，他们将单个、未经修饰的蛋白质分子捕捉在一个金属薄膜的小孔中，并用激光加热以触发变化。这种设置使他们能够观察到蛋白质运动的整个生命周期，从持续数分钟的缓慢停顿，到仅在不到一微秒内发生的瞬时转变。该研究重点关注了两种特定的蛋白质：牛血清白蛋白（存在于牛血中）和辅蛋白（存在于蛋清中）。通过逐步加热这些分子，团队观察了它们的展开、折叠以及剧烈的结构转变，揭示了一个此前在直接观察中不可见的隐藏速度世界。
当研究人员将此方法应用于牛血清白蛋白时，他们目睹了一个惊人的快速事件。随着温度升高到特定范围，蛋白质经历了突然且不可逆的转变。被捕获分子的信号显示出一个仅用时44纳秒的剧烈阶跃式变化，平均而言，这些快速转变发生在不到100纳秒的时间内。为了直观理解这一速度，它比此前已知的蛋白质折叠“速度极限”还要快一个数量级。团队证实，这种快速变化是从一种被称为α-螺旋的螺旋结构向一种被称为β-折叠的扁平片状结构的转变。这种特定类型的变化具有重要意义，因为它与严重的生物学问题（如神经退行性疾病中的团块形成）有关，但它也是血液凝固等正常过程所必需的。研究人员通过添加一种已知能使蛋白质展开的化学物质——尿素，验证了这是一种真正的结构转变而非随机波动。在存在尿素的情况下，快速且剧烈的转变消失了，取而代之的是一个更慢、更混乱的展开过程，这证明了最初的快速事件是蛋白质形状的一种特定且有组织的改变。
与观察到牛血清白蛋白那种单行道式的过程不同，团队观察到辅蛋白进行着一场展开与折叠的循环舞动。受热时，该蛋白质在大约1.8毫秒内展开，这一速度虽然极快，但仍可用标准设备测量。一旦展开，分子并不会立即弹回；它会在开放且无序的状态中停留很长时间，在重新折叠之前的中位等待时间为68秒。当它最终折叠时，过程耗时17毫秒。这种能够观察单个分子停顿超过一分钟然后又弹回原形的能力，提供了一幅完整的蛋白质能量景观图，展示了它休息的深谷以及它必须跨越的陡峭山丘。研究人员还测试了核糖核酸酶A（另一种以折叠能力著称的蛋白质），并观察到了一个耗时三秒的较慢转变，这与在大型分子群体中观察到的现象一致。
这种新方法的威力在于其能够弥合两种不同科学领域之间的鸿断。多年来，计算机模拟一直预测蛋白质可以进行不到100纳秒的超快转变，但实验工具反应太慢，无法观察到这些现象，往往将最快的信号当作噪声过滤掉。与此同时，其他实验只能观察到数百万个分子同时进行的缓慢平均行为，从而错过了任何单个分子的独特故事。这种新方法捕捉了全范围的运动，从纳秒级的结构翻转闪烁，到蛋白质处于稳定状态时的长达一小时的等待。通过这种方式，无需使用标签或束缚，即可实现对蛋白质的观察。通过证明这些低于100纳秒的转变是真实且可测量的，这项工作为完善计算机模型以及理解蛋白质如何穿越其复杂的能量景观提供了坚实的基础。研究结果表明，这些快速、有组织的形状间转变不仅是理论上的可能性，更是蛋白质如何运作以及有时如何发生功能障碍的基本组成部分。
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