為生命調(diào)控裝上“光控開(kāi)關(guān)” | 科技前線(xiàn)

細(xì)胞如同精密的“生命工廠”，各類(lèi)蛋白質(zhì)便是“工廠”里忙碌穿梭的 “工人”。它們之間如何相遇、協(xié)作、共同完成生命活動(dòng)，是科學(xué)家一直探求的科學(xué)問(wèn)題。但在活細(xì)胞這個(gè)微縮而復(fù)雜的舞臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)互作進(jìn)行實(shí)時(shí)、清晰的觀測(cè)，是生命科學(xué)領(lǐng)域的一大研究難點(diǎn)。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出可精準(zhǔn)捕捉蛋白質(zhì)“動(dòng)態(tài)瞬間”的工具。該工具如同給生命調(diào)控裝上了精準(zhǔn)的“光控開(kāi)關(guān)”，即只需一束溫和的可見(jiàn)光，就能在活細(xì)胞內(nèi)精準(zhǔn)定位特定的蛋白質(zhì)，甚至可以實(shí)時(shí)捕捉它們與其他蛋白質(zhì)相互作用的瞬間，為科學(xué)界理解生命動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了一臺(tái)全新分子尺度的“高清顯微鏡”。

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精準(zhǔn)升級(jí)

過(guò)去，科學(xué)家們觀察蛋白質(zhì)互動(dòng)，常用的方法是給目標(biāo)蛋白質(zhì)裝上如二苯甲酮分子等“光敏探測(cè)器”，并用紫外光照射來(lái)激活它。激活后的探測(cè)器會(huì)嘗試“抓住”附近的蛋白質(zhì)。

但這個(gè)方法存在局限性，即紫外光能量太強(qiáng)，就像在黑暗的細(xì)胞里突然扔了個(gè)“閃光彈”，不僅照亮了目標(biāo)，還會(huì)激活細(xì)胞內(nèi)不該觸發(fā)的分子，引發(fā)大量混亂的、不必要的副反應(yīng)，甚至可能損傷細(xì)胞本身。同時(shí)，觀測(cè)畫(huà)面也充滿(mǎn)了“干擾噪點(diǎn)”，副反應(yīng)發(fā)生率通常超過(guò)20%，使得真正想看的信號(hào)反而被淹沒(méi)了。

為解決上述難題，研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，選擇了溫和的可見(jiàn)藍(lán)光作為“激發(fā)信號(hào)”。藍(lán)光能量恰到好處，既能有效工作，又不會(huì)傷害細(xì)胞。在藍(lán)光照射下，一種特殊的“分子信使”——酮基自由基通過(guò)光催化過(guò)程被激發(fā)產(chǎn)生。這種自由基不像普通的自由基那樣“活潑好動(dòng)”“四處亂竄”，它非常“沉穩(wěn)”，只對(duì)另一個(gè)和自己一模一樣的酮基自由基“情有獨(dú)鐘”，能與之發(fā)生精準(zhǔn)的頻哪醇偶聯(lián)反應(yīng)，不會(huì)去隨意“騷擾”細(xì)胞里的其他分子。這一巧妙的設(shè)計(jì)，將副反應(yīng)發(fā)生率降到了5%以下，從根本上解決了觀測(cè)信號(hào)被干擾的問(wèn)題。

▲左側(cè)：紫外光照射下產(chǎn)生大量混亂的副反應(yīng)（噪點(diǎn)高）；右側(cè)：藍(lán)光照射下酮基自由基精準(zhǔn)配對(duì)（噪點(diǎn)低）

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“雙劍合璧”

這項(xiàng)技術(shù)可同時(shí)擁有“標(biāo)記追蹤”和“瞬間交聯(lián)”兩大本領(lǐng)，相當(dāng)于給科學(xué)家配備了“蛋白質(zhì)GPS追蹤器”和“分子瞬間抓拍相機(jī)”。

• “標(biāo)記追蹤”模式：在藍(lán)光照射下，研究人員可以給目標(biāo)蛋白質(zhì)裝上特殊的“熒光標(biāo)簽”。無(wú)論這個(gè)蛋白質(zhì)在細(xì)胞里跑到哪里、如何移動(dòng)，都能被清晰地追蹤定位。同時(shí)，這種標(biāo)記技術(shù)還能與其他成熟的標(biāo)記方法配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)蛋白質(zhì)的同時(shí)追蹤，讓科學(xué)家更全面地看清細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的“協(xié)作網(wǎng)絡(luò)”。

• “瞬間交聯(lián)”模式：在該模式下，這項(xiàng)技術(shù)就變成了“分子瞬間抓拍相機(jī)”?？茖W(xué)家通過(guò)基因編輯技術(shù)，將這種特殊的“交聯(lián)分子”精準(zhǔn)地安裝到目標(biāo)蛋白質(zhì)特定位置上。當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)遇到它的“合作伙伴”并發(fā)生短暫接觸時(shí)，只要用藍(lán)光一照，就能立刻觸發(fā)“分子信使”的形成，使兩者之間形成牢固的“分子膠水”（共價(jià)鍵連接），把轉(zhuǎn)瞬即逝的相互作用瞬間“定格”下來(lái)，方便科學(xué)家進(jìn)行分析研究。

▲上：該技術(shù)標(biāo)記細(xì)胞具有高存活率；下：標(biāo)記和交聯(lián)模式下獲得高信噪比

這項(xiàng)研究成果，相當(dāng)于把過(guò)去觀測(cè)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)的“閃光彈”升級(jí)成了精準(zhǔn)可控的“無(wú)影燈”。它既能清晰地“照亮”微觀世界里蛋白質(zhì)的互動(dòng)，又不會(huì)干擾細(xì)胞正常的生命活動(dòng)。

該研究不僅為科學(xué)家深入解析生命活動(dòng)的核心機(jī)制提供了強(qiáng)大工具，更在藥物研發(fā)和精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。同時(shí)，該研究也標(biāo)志著我國(guó)在化學(xué)生物學(xué)前沿方法研究上，取得了具有國(guó)際引領(lǐng)性的重要突破。未來(lái)，隨著“光控開(kāi)關(guān)”技術(shù)的不斷完善與拓展，科學(xué)家有望解鎖更多生命密碼。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c18652

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所

責(zé)任編輯：閆文藝