線掃描高速原子力顯微鏡在打開燈時(shí)以毫秒時(shí)間分辨率測量細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白的“發(fā)射”。影片底部的條指示燈熄滅（黑色）和燈亮（綠色）。圖片由 Simon Scheuring 博士和 Alma Perez Perrino 博士提供。

Weill Cornell Medicine 的研究人員使用一種創(chuàng)新的新顯微成像技術(shù)，以前所未有的細(xì)節(jié)和速度揭示了一系列光敏分子的內(nèi)部工作原理。這項(xiàng)工作可以為新興的光遺傳學(xué)領(lǐng)域提供新的策略，該領(lǐng)域使用光脈沖來改變單個(gè)神經(jīng)元和其他細(xì)胞的活動(dòng)。

光敏蛋白驅(qū)動(dòng)生物學(xué)中的許多關(guān)鍵過程，從光合作用到視覺?？茖W(xué)界對這些蛋白質(zhì)的大部分理解來自對細(xì)菌視紫紅質(zhì)的研究，細(xì)菌視紫紅質(zhì)是一種在某些單細(xì)胞生物中負(fù)責(zé)光合作用的蛋白質(zhì)。研究人員此前已經(jīng)解決了細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)并詳細(xì)研究了其活性，但現(xiàn)有技術(shù)的局限性在所得模型中留下了令人費(fèi)解的空白。

發(fā)表在《自然通訊》雜志上的這項(xiàng)新研究描述了研究人員開發(fā)的一種稱為線掃描高速原子力顯微鏡的技術(shù)，該技術(shù)在毫秒時(shí)間尺度上捕捉細(xì)菌視紫紅質(zhì)對光的反應(yīng)。

YPG-1B型金相試樣拋光機(jī)

“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解決方案變得非常簡單，”威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)生理學(xué)和生物物理學(xué)教授、資深作者西蒙·舒林博士說?！暗?dāng)前的挑戰(zhàn)是評估動(dòng)力學(xué)，這提供了對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)理解?！?/p>

特別是，其他追蹤單個(gè)分子活性的方法運(yùn)行速度太慢，無法揭示蛋白質(zhì)如何在短時(shí)間內(nèi)改變形狀，就像細(xì)菌視紫紅質(zhì)似乎對光做出反應(yīng)一樣。Scheuring 博士將這些技術(shù)比作具有慢速快門的電影攝影機(jī)，它可能會(huì)在屏幕的一側(cè)捕捉快速移動(dòng)的鳥，然后在另一側(cè)捕捉，但無法在這兩點(diǎn)之間追蹤它。

新發(fā)現(xiàn)： 晶體光學(xué)基礎(chǔ)之光與固體物質(zhì)的相互作用

此前，研究人員已經(jīng)通過限制鳥類來解決這個(gè)問題：觀察細(xì)菌視紫紅質(zhì)的變異形式?！暗侥壳盀橹?，為了研究細(xì)菌視紫紅質(zhì)的動(dòng)力學(xué)，人們一直在使用速度較慢的突變體，”主要作者、Scheuring 博士實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員 Alma Perez Perrino 博士說。不過，較慢的變體并不代表蛋白質(zhì)的正?；钚?。為了解決這個(gè)問題，Perez Perrino 博士和她的同事開發(fā)了線掃描高速原子力顯微鏡，它犧牲了一些圖像細(xì)節(jié)以獲得更快的幀速率，例如拍攝更模糊的鳥類圖像以便一直跟隨它屏幕。

“我們每 1.6 毫秒跟蹤一次蛋白質(zhì)，因此我們可以探索野生型細(xì)菌視紫紅質(zhì)的速度，”Perez Perrino 博士說。

響應(yīng)光，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在打開和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。使用他們更快的成像技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，向開放狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和開放狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間總是以相同的速度發(fā)生，但隨著光強(qiáng)度的降低，分子會(huì)在更長的時(shí)間內(nèi)保持閉合狀態(tài)。

光遺傳學(xué)研究人員將光敏分子基因插入神經(jīng)元或其他細(xì)胞中，使它們能夠通過光脈沖改變細(xì)胞的行為。這項(xiàng)工作徹底改變了神經(jīng)科學(xué)，并具有治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛力。研究人員對光敏蛋白了解得越多，他們就越能推動(dòng)光遺傳學(xué)?！白罱K，您希望啟動(dòng)一個(gè)過程，然后充分利用它，并能夠立即再次關(guān)閉它，”Scheuring 博士說。“因此，了解用于這種轉(zhuǎn)換的分子動(dòng)力學(xué)非常重要。”

參考文獻(xiàn)：

Alma P. Perrino、Atsushi Miyagi 和 Simon Scheuring 撰寫的“HS-AFM 對細(xì)菌視紫紅質(zhì)的單分子動(dòng)力學(xué)”，2021 年 12 月 10 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-021-27580-2

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