蛋白質的折疊速度有多快？

蛋白質形成復雜三維結構的速度甚至比DNA還要快。科學家首次直接測量出普通單個蛋白質折疊所需的時間，結果令人意外——蛋白質的氨基酸序列、分子大小與其折疊形成三維結構的耗時之間并無關聯。盡管蛋白質的組成成分更為復雜，但其折疊效率似乎高于DNA等其他生物分子。3月9日，相關研究成果發表于《物理評論快報》。

蛋白質的功能與其復雜的三維結構密切相關。例如，部分蛋白質擁有特定的凹陷或凸起結構，能使其與細胞受體結合，進而傳遞信號。論文合著者、美國國家糖尿病、消化道和腎臟疾病研究所的生物物理學家Hoi Sung Chung表示，無論最終的結構多么精密，蛋白質最初都是一條氨基酸鏈，“就像一根長長的意大利面”，可以通過無數種方式折疊。蛋白質折疊不當或不完全，可能會導致功能異常、引發疾病或產生毒性，因此科學家希望弄清折疊過程的具體細節。

在燒杯中懸浮的相同蛋白質分子，形成最終三維結構的時間各不相同，且每個分子在折疊過程中都會經歷多次失敗的嘗試。科學家已掌握包括這些失敗嘗試在內的整體折疊過程的大致耗時，但在此之前，測量折疊行為本身所花費的時間幾乎是不可能的——這一快速過程被稱為過渡路徑時間。

這個過渡階段極為短暫，且必須對單個分子展開研究。科學家迄今只能通過人工放慢折疊速度，或觀察折疊速度較慢的特殊蛋白質，才能窺見折疊過程的全貌。

Chung的研究團隊通過改進單分子熒光光譜法的時間分辨率，直接捕捉到了這一過渡階段。借助該技術，科學家可通過測量熒光信號，分析帶有熒光染料標記的分子的動態變化。

研究人員在氨基酸鏈的一端連接了紅色染料分子，另一端連接了綠色染料分子。綠色染料可自行發光，而紅色染料只有接收綠色染料傳遞的能量后才能被激活。在氨基酸鏈完成折疊前，只能觀測到綠色染料的熒光；當氨基酸鏈開始折疊時，兩種染料分子的距離被拉近，能量得以從綠色染料分子傳遞至紅色染料分子，紅色染料隨即開始發光。但這一熒光信號過于微弱，難以被檢測到，因此研究人員使用了一種帶有納米級微孔陣列的導光裝置，放大染料發出的信號。這一方法讓他們成功觀測到了8種蛋白質轉瞬即逝的折疊瞬間。

“這是近年來該領域最重大的進展之一。”美國得克薩斯大學奧斯汀分校的化學物理學家Dmitrii Makarov說。為了觀察蛋白質的折疊行為，科學家必須探測到數量相對稀少的光子，這是一項技術難題。“真正令人贊嘆的是，他們并非只對一種蛋白質完成了這項觀測，而是8種，這讓我們能夠提出更有價值的問題。”

研究發現，這些蛋白質的最短過渡路徑時間不足1微秒，最長約為4微秒。折疊速度與蛋白質的大小、長度、序列及折疊結構均無關聯，而是與蛋白質折疊后氨基酸之間的相互作用數量相關——不包括未折疊的線性氨基酸鏈中相鄰氨基酸間的相互作用。這類相互作用越多，蛋白質的折疊效率就越高。Makarov表示，此前的理論模型已對此做出預測，如今這一結論得到實驗驗證，令人振奮。

Chung指出，該研究表明，蛋白質實際折疊行為的完成速度，也快于DNA等其他生物分子。DNA僅由4種名為堿基的基本單元構成，且每種堿基在最終結構中只能與另一種特定堿基結合；而蛋白質由22種氨基酸構成，能形成的相互作用類型遠多于DNA。他推測，自然選擇的結果，讓蛋白質的折疊速度變得更快。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/2q9m-4scc