近日，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究人員實(shí)現(xiàn)了對界面酶分子的單分子實(shí)時熒光成像，通過對運(yùn)動軌跡的分析發(fā)現(xiàn)酶分子的趨向運(yùn)動(Chemotaxis)是平動與轉(zhuǎn)動的競爭平衡結(jié)果，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。
液體中的分子通常作無規(guī)則的布朗運(yùn)動。對于有催化活性的酶分子而言，它們可利用酶促反應(yīng)過程中底物轉(zhuǎn)化時釋放的能量驅(qū)動其自身的運(yùn)動。以往研究表明，酶分子運(yùn)動的擴(kuò)散系數(shù)與底物濃度呈正相關(guān)， 該現(xiàn)象被稱為酶促分子馬達(dá)。然而，酶分子是否存在類似細(xì)菌的趨向運(yùn)動，即酶分子是否主動向底物濃度高的方向擴(kuò)散，是一個疑問。例如，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授Bustamante提出可以用“化學(xué)聲效應(yīng) （chemoacoustic effect）”來解釋這種酶促分子馬達(dá)。同期發(fā)表的對該文的評述中，美國賓夕法尼亞大學(xué)教授Joshua Wand則指出，“看起來有可能酶分子進(jìn)化出了尋找底物的能力，但此觀點(diǎn)尚應(yīng)存疑。”
上海應(yīng)物所物理生物學(xué)研究室博士研究生孫樂樂，高延靜在研究員李迪、樊春海等指導(dǎo)下，基于DNA折紙術(shù)(DNA origami)發(fā)展了一種對界面上酶級聯(lián)反應(yīng)中的單個酶分子運(yùn)動軌跡實(shí)時成像的方法，并對酶分子趨向運(yùn)動機(jī)制作出解釋。研究人員以膽固醇修飾的DNA分子為錨定鏈，并利用膽固醇分子可以嵌入磷脂雙層膜的特點(diǎn)，將酶分子固定在二維磷脂分子界面。研究發(fā)現(xiàn)，不同錨定手段可以控制酶分子在二維磷脂界面上的運(yùn)動速度。其中，利用雙鏈DNA動態(tài)錨定（dynamic tethering）的酶分子，可以在二維界面上自由擴(kuò)散；而利用DNA折紙筏（origami raft）靜態(tài)錨定（static tethering）的酶分子，則固定在磷脂膜上不動。基于此，科研人員在磷脂雙分子層的二維界面上構(gòu)建了一個酶級聯(lián)反應(yīng)：其中上游的葡萄糖氧化酶在界面上固定不動，而下游的過氧化氫酶可以在界面上自由擴(kuò)散。利用全內(nèi)反射顯微鏡，他們實(shí)時觀測了單個酶分子的運(yùn)動軌跡。研究發(fā)現(xiàn)：以葡萄糖氧化酶分子為坐標(biāo)中心，下游的過氧化氫酶分子的平動速率確實(shí)隨上游底物葡萄糖的增加而加快，但上下游酶分子的相對空間距離并未隨酶促反應(yīng)而改變。他們利用Einstein relation計(jì)算了界面上過氧化氫酶分子的自旋弛豫時間，發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶的轉(zhuǎn)動速率大大快于其平動速率，過氧化氫酶分子轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)，其平動距離僅為其自身直徑的1/6，即使在酶促反應(yīng)中，酶分子也并不存在趨向運(yùn)動，趨向運(yùn)動是平動與轉(zhuǎn)動的競爭平衡結(jié)。
這一工作解釋了酶促馬達(dá)并未造成趨向運(yùn)動的原因。該工作構(gòu)建的控制界面上不同蛋白質(zhì)分子運(yùn)動速度的方法及對蛋白質(zhì)運(yùn)動軌跡實(shí)時成像的平臺，可用于研究信號通路中多種蛋白質(zhì)作用及抑制劑篩選，為研究蛋白質(zhì)間的動態(tài)相互作用提供了新工具。(生物谷Bioon.com）
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