蛋白质是生物化学的举重者。这些结实的分子充当构建块、受体、处理器、信使和催化剂。“蛋白质是为地球上所有生命提供动力的分子机器，”加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授马克舍温解释道。自然地，科学家们投入了大量的研究来理解和操纵蛋白质。

由UCSantaBarbara的研究人员(包括Sherwin)领导的一个团队在解决现代科学的一项重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。作者在应用化学国际版中讨论了他们的技术。这种方法可以彻底改变我们对蛋白质如何发挥作用的理解，并指导为特定目的设计蛋白质。

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，科学家们在根据构成蛋白质的氨基酸结构单元破译蛋白质的形状方面取得了巨大进步。

然而，即使看到机器的形状通常也不足以理解它是如何工作的。“想象你是一个外星人，你看到一张缝纫机的照片，”舍温说。“你很难弄清楚它的作用。但如果你看过一部电影，你就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。尽管它们是相对较大的分子，但蛋白质的大小仍然只有几纳米，比我们使用最强大的光学显微镜所能分辨的还要小100倍。它们存在于不利于电影摄影的潮湿、潮湿的环境中。

“总的来说，生物学中最大的挑战之一是观察蛋白质的作用，”共同主要作者、化学博士生ShinyMaity解释说。当蛋白质被冷冻时，科学家们更容易观察它们的结构。要看到它们移动，需要像定格动画这样的技术：开始动作，冻结蛋白质，捕捉图像，重复。这对于快速和慢速运动来说通常都非常困难。最重要的是，快速冷冻蛋白质会影响其结构。

“我们的目标是完全消除冻结方面，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、物理学研究生布拉德普莱斯说。

一项复杂的技术

本文展示了一种新方法，可以在外部事件(在本例中为可见光脉冲)触发蛋白质的运动后，在逼真的环境中跟踪蛋白质的运动。作者称该技术为TiGGER，用于时间分辨钆-钆电子顺磁共振。它很复杂，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。节目的主角是带电的钆原子或离子。它的电子排列方式使离子表现得像一块小磁铁。如果将它放在强磁场中，它会与外部磁场对齐或反向并开始摆动。

科学家们将钆粘在分子笼中以使其稳定，并添加一些化学支架以将其与蛋白质连接起来。但这些位只与一种氨基酸，半胱氨酸有关。因此，该团队必须在不影响蛋白质整体功能的情况下，将他们想要标记的氨基酸改为半胱氨酸。由于蛋白质中心的半胱氨酸对其功能至关重要，因此这项任务变得更加棘手。

“自旋标签的选择非常具有战略意义，”梅蒂说。“它足够大，不会进入功能性半胱氨酸所在的蛋白质核心。但它也不太大，不会破坏蛋白质的自然形状。”

钆离子的摆动或“进动”受另一个标签的接近程度的影响，另一个标签有自己摆动的钆离子，会产生自己的小磁场。这种进动根据两个标签彼此的接近程度而变化。测量这个摆动，你就可以推导出距离。

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与离子的进动匹配时，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，则意味着标签在移动。

添加更多数学，作者甚至可以告诉您标签之间的距离有多远。“我们知道我们可以将距离作为时间的函数，但这需要更多的开发，”普莱斯说。

一种有启发性的蛋白质

作者选择了一种流行的多功能蛋白质来开发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向光性，”共同作者、分子、细胞和发育生物学系助理教授MaxWilson说。“总而言之，它们与光感应密切相关。”

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，”普赖斯说，“这是一个两全其美的情况。”

LOV蛋白使科学家能够将光用作细胞中所有分子过程的“遥控器”。“我们用它来控制干细胞分化、抗体结合、细胞外基质蛋白的硬化和松弛，以及细胞信号通路的激活，”Wilson说。

化学工程系的助理教授ArnabMukherjee使用LOV蛋白通过荧光追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看到它们的‘发光’，”他解释道。这提供了一种工具来研究生活在厌氧环境中的微生物，比如人类肠道。

但是要设计这些蛋白质来完成研究人员想要的事情是很棘手的。这就是TiGGER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，他们就可以在设计过程中更加深思熟虑。

着眼未来

高级作者Sherwin和化学教授SongiHan于2006年首次开始探索拍摄蛋白质，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。但其真正的力量来自于在几个不同的地点重复该技术。这使科学家能够将蛋白质的运动拼凑成一个整体。然后，他们可以将这一运动映射到蛋白质模型上，以类似于CGI动画的方式制作电影，让我们最喜欢的卡通人物栩栩如生。

在投入时间将其应用于AsLOV2上的其他站点之前，作者专注于优化该技术。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时的随机运动，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重新折叠的速度快1,000多倍?已知影响重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。结果可能会阐明燕麦(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，只要科学家们可以将感兴趣的位点修改为半胱氨酸氨基酸而不影响蛋白质的功能。“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。”