新光學方法可追蹤單個蛋白質形狀變化

荷蘭特文特大學科學家研發出一種光學方法，能夠實時追蹤單個蛋白質的形狀變化。它直接讀取蛋白質自身的分子振動，無需任何標記，即可揭示蛋白質對藥物、毒素及其他生物分子的響應。相關論文發表于新一期《美國化學學會·納米》雜志。

蛋白質常被描繪成固定的三維結構，實際上它們靈動多變，會蜷曲、伸展，又恢復原貌。這些運動是生命活動的核心，卻極難直接窺見，尤其當蛋白質游弋在溶液中時。若要觀察單個蛋白質，傳統手段往往得將它“拴住”或掛上標記，但這兩類做法都可能改變其行為。

每個分子都以獨一無二的方式振動。拉曼光譜能捕捉這些振動，從中解讀化學與結構信息。可單個蛋白質信號通常微弱到難以測出，研究團隊借助一種超表面破解了這一難題。

這種超表面由金膜上緊密排布的金納米粒子構成，既不需要熒光標簽、化學標記，也無須機械拴系，還能全然保持蛋白質的天然行為方式。

當光照射到超表面時，會被集中到強電磁場的微小熱點中。穿過該區域的蛋白質，其拉曼信號可增強達1000萬倍。憑借這一信號，團隊能讀取蛋白質的二級結構，清晰區分α螺旋、β折疊、β轉角和無規卷曲等不同形狀。

團隊用牛血清白蛋白質驗證了這一方法，構建出蛋白質的自由能圖景，呈現出它最常駐留的形態，以及那些雖罕見卻仍可觸及的構象，并繪制出形狀之間的轉換路線圖。最主要的轉變發生在α螺旋與β折疊之間，以及α螺旋與無規卷曲之間。

隨后，團隊探究了化學環境如何牽引蛋白質的形狀。他們在超表面上接入了甲基、羧基和氨基，并將溶液的pH值從酸性調至中性，再變為堿性。結果顯示，中性pH值下，天然的α螺旋形態通常勝出；換作其他條件，蛋白質則偏愛β折疊或無規卷曲模樣。蛋白質的周遭環境，而不僅僅是自身的序列，決定了它的形狀。

這項新技術有助于揭示蛋白質的折疊、錯誤折疊與聚集。而錯誤折疊和聚集，正是阿爾茨海默病、帕金森病和2型糖尿病等疾病的重要推手。通過設計更精巧的超表面，有望捕獲更快的變化，并將該方法拓展至更大的生物分子，如核酸、碳水化合物和蛋白質復合物。