生物物理所在蛋白質中光致電子轉移研究方面取得新成果

　　8月31日，Angewandte Chemie發表了中科院生物物理研究所王江云研究組和龔為民研究組的最新研究成果。這篇以Genetic Incorporation of a Metal Chelating Amino Acid as a Probe for Protein Electron Transfer為題的研究論文，被該雜志選為“非常重要的論文”和內封面文章。

　　該研究通過基因密碼子擴展，實現了在活細胞中編碼螯合金屬的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸，為研究生物大分子中的光致電子轉移現象，及利用生物元件實現高效可控的光致電荷分離提供了有力的工具。

　　電子傳遞(ET)涉及生物體內許多重要的生化過程，包括光合作用等。如何改造生物元件實現高效可控的光致電荷分離，是利用合成生物學手段生產可再生能源的重要問題和主要瓶頸。同時，目前蛋白質中的電子傳遞實驗測量，通常只能依靠在蛋白質本身含有的殘基組氨酸或半胱氨酸上連接探針來進行研究，因此該方法僅能用于研究小的可溶性蛋白，限制了其應用。光誘導電子傳遞(PET)導致的熒光淬滅是一種用來探索生物大分子中的動態構象變化的有力工具。但由于受到目前技術的限制，只能用酪氨酸或色氨酸作為電子供體。

　　本研究將具有金屬螯合能力的非天然氨基酸通過基因密碼子擴展的手段定點插入到綠色熒光蛋白(GFP)，首次實現了在熒光蛋白發光中心至銅離子之間的快速光致電子轉移，并測量到電子轉移發生在1納秒之內(接近光中心的速度)。晶體結構研究揭示了3-吡唑基酪氨酸對銅離子具有高強度結合能力。

　　這些新方法為蛋白動態構象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學手段生產可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設計提供了新的工具。在本論文中還提出了水母綠色熒光蛋白可能是水母的光感受器的新觀點。

　　美國普林斯頓大學著名生物物理化學家Haw Yang教授評價說：“我相信，非天然氨基酸編碼技術將為生物物理學-蛋白質研究領域的研究人員提供一個非常有價值的工具，而這篇文章即是推動該領域發展的研究之一，因為使用銅作為淬滅劑，可以極大地拓展基于距離測量的工具包。”

　　美國麻省大學著名生物無機化學家GUO Maolin教授認為，了解生物電子轉移的機制，已被證明是一個具有挑戰性的和復雜的科學問題。王江云博士和他的同事開發了一種新的策略，即通過將金屬離子螯合非天然氨基酸并編碼到蛋白質來研究這個復雜的問題。他們成功地將螯合Cu(II)的基團在綠色熒光蛋白(GFP)的表面編碼，在405nm光誘導下，光致電子轉移(PET)從蛋白發色團到Cu(II)迅速發生，并在一個納秒制造出還原性銅(I)。這種基因編碼的策略絕妙的地方在于，它為在活細胞中的蛋白質實時監控電子轉移提供了機會，而這將更加精彩!

　　北京大學生物物理化學家高毅勤教授說，光致電子轉移對蛋白質動力學的研究是一個非常有用的工具，但其應用一般限于相對簡單的系統。這項工作很好地將金屬離子螯合氨基酸到蛋白質，從而為蛋白質動力學研究提供了一個新的策略。這樣的方法很可能將顯著提高PET在蛋白質動力學研究中的適用性。

　　本論文的共同第一作者為劉曉紅副研究員以及博士研究生李家松、董建樹。該研究得到科技部國家重點基礎研究973計劃、國家自然科學基金委員會和中國科學院的資助。