- 內置蛋白質傳感器可實現活細胞內分子組裝的無創追蹤
- 來源：作者：斯蒂芬・丹杰洛（康奈爾大學）） 發表于 2025/7/7
通過電子自旋共振技術分析的兩種不同化學傳感系統：具有內源性黃素中心的 Aer 蛋白，以及由小型黃素蛋白 iLOV 提供外源性黃素中心的 CheA 蛋白。圖片來源：《自然・通訊》（2025）。DOI：10.1038/s41467-025-60623-6
康奈爾大學的研究人員發現了一種新方法，有望更精準地觀察活細胞內蛋白質的動態 —— 利用細胞自身成分作為內置傳感器。
這種方法可幫助科學家研究分子在細胞內（包括病毒內部）的結合方式，以及蛋白質在癌癥、神經退行性疾病等病癥中發生錯誤折疊的機制。
研究團隊發現了一種創新手段：利用細胞自身產生的天然蛋白質作為微型傳感器，用以報告其所處環境及相互作用，避免了傳統侵入性技術可能對細胞正常生物學過程的干擾及對研究結果的扭曲。該研究成果發表于《自然・通訊》期刊。
“這種方法主要用于理解新的生物學機制，例如與癌癥等疾病狀態或感染過程相關的機制，” 布萊恩・克蘭（Brian Crane）表示。他是文理學院化學與化學生物學系的喬治・W・與格蕾絲・L・托德講席教授，也是該論文的通訊作者。
“例如，我們可以設想用這種方法追蹤病毒的組裝過程，從而了解其組分在細胞內的構建方式與位置。”
克蘭作為威爾細胞與分子生物學研究所的負責人，與同事們聚焦于黃素（flavins）—— 這類源自維生素 B2 的小分子在細胞內可充當磁性標簽。其磁性特性使其能通過電子自旋共振（ESR）光譜技術檢測，該技術類似核磁共振成像（MRI），但可測量納米級距離及極小的變化。通過追蹤攜帶黃素的黃素蛋白（flavoproteins）的行為，研究人員能夠監測其他分子在活細胞內的組織與運動模式。
由于黃素蛋白廣泛存在于多種生物系統中，研究團隊找到了將其作為內置傳感器的方法。通過光激發黃素的磁性特性，他們可借助 ESR 技術直接在細胞內研究蛋白質結構，無需依賴合成化學物質。
“我們在研究某些黃素蛋白的特性時發現，它們的磁自旋態在細胞內的穩定性超出預期，” 蒂莫泰・肖維雷（Timothée Chauviré）說。他是威爾研究所克蘭實驗室的研究助理，也是該研究的第一作者，“從先前對光敏蛋白的研究中，我們意識到可以利用光來激發信號，從而通過 ESR 技術檢測這些分子。”
克蘭指出，強行向細胞內導入人工標簽可能干擾細胞功能，而細胞會自然產生含黃素的探針，“如果能誘導細胞自身合成這些探針，效果會好得多。”
為驗證這一新方法，研究人員以細菌蛋白 Aer 為研究對象，該蛋白協助大腸桿菌感知氧氣。Aer 與另外兩種蛋白 CheA、CheW 協同作用，實現跨膜信號傳導。盡管這些蛋白此前已被研究，但這是科研人員首次直接觀察到 Aer 受體在活細胞內的組裝過程。
“我們發現，Aer 會形成高階組裝體 —— 膜內的分子陣列，通過協同作用放大信號，” 克蘭表示，“這些結構穩定性差，在細胞外無法形成。”
借助 ESR 技術，團隊以埃（Å）級精度測量了 Aer 二聚體（由兩個相同蛋白分子組成的復合物）中兩個黃素間的距離，不僅證實了二聚體結構，還揭示了細胞內形成的更大組裝體。
研究人員還開發了一種名為 iLOV 的小型工程黃素蛋白，可通過基因融合技術與其他蛋白結合，使其能被 ESR 技術可視化。這種工具如同分子標簽，使科學家能夠研究活細胞內幾乎任何蛋白質的結構與定位。
該研究還證實，此前主要局限于試管內純化蛋白研究的 ESR 技術，如今可用于活細胞系統，且能呈現驚人的細節。
“電子自旋共振光譜技術不再局限于研究純化分子或重組系統，” 克蘭說。
他透露，團隊目前正將該方法應用于其他細胞類型，尤其是哺乳動物細胞，探索能否在更復雜的環境中追蹤相關生物學過程。
更多信息：蒂莫泰・肖維雷等，《黃素蛋白作為活細胞電子自旋共振光譜的天然及基因編碼自旋探針》，《自然・通訊》（2025）。DOI：10.1038/s41467-025-60623-6
期刊信息：《自然・通訊》
康奈爾大學提供
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