中國科大發現一類膜蛋白分子機器動力學新態

　　近日，中國科學技術大學袁軍華、張榕京課題組在生物分子機器領域取得新進展，發現一類膜蛋白分子機器（鞭毛馬達）動力學過程中的一個全新狀態：暗態。研究結果以A hidden state in the turnover of a functioning membrane protein complex 為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。

　　膜蛋白分子機器是一類重要的分子機器，以往一般采用熒光技術對其活體動力學進行研究。由于熒光漂白效應，對單機器的動力學很難做長時間觀測，有可能會忽略其動力學過程的某些重要信息，這些技術難點讓相關研究面臨很大的挑戰。細菌鞭毛馬達是一種典型的膜蛋白分子機器，袁軍華、張榕京團隊以其為例，發展了對單馬達動力學進行長時間精確觀測且對大量單馬達數據進行統計物理分析的方法，從而發現了其動力學過程的暗態(hidden state)。

　　細菌鞭毛馬達由多個定子產生力矩，近年來人們發現每個定子都隨機地與馬達結合與脫離，且其脫離概率取決于馬達負載，所以定子與馬達的結合是個典型的逆鎖結合(Catch bond)。依靠這個機制，馬達能適應不同的負載來調節其定子數。一直以來，大家認為定子與馬達結合/脫離這個隨機過程可由一個簡單的雙態模型來描述，每個定子可處于兩種可能的狀態：結合態與脫離態。該團隊通過對大量單馬達穩態下定子數目的長時間精確觀測，統計出特定定子數的駐留時間分布，從而發現其分布形狀是典型的雙指數形式，而非雙態模型預言的單指數形式。通過這些實驗測量，結合對這個隨機過程的理論分析，該團隊發現了定子結合/脫離馬達這個隨機過程中的一個全新狀態（稱之為暗態），提出了三態模型來描述這個隨機過程，并進一步運用分子生物學結合統計物理分析，確定了暗態的存在及其特征。暗態的發現將進一步加深對馬達動力學的理解。

　　暗態與結合態、脫離態相比，壽命短了2個數量級。這種巨大的時間尺度上的差異，使得以往傳統的熒光或生物化學技術都很難發現該態。該團隊此次提出的對生物動力學過程進行單分子/單馬達/單過程的長時間精確觀測，并結合駐留時間分布的統計物理分析，對其它生物馬達、生物動力學過程的研究也有普遍意義。