通過電子自旋共振技術(shù)分析的兩種不同化學(xué)傳感系統(tǒng)：具有內(nèi)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(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，有望更精準(zhǔn)地觀察活細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài) —— 利用細(xì)胞自身成分作為內(nèi)置傳感器。

這種方法可幫助科學(xué)家研究分子在細(xì)胞內(nèi)（包括病毒內(nèi)部）的結(jié)合方式，以及蛋白質(zhì)在癌癥、神經(jīng)退行性疾病等病癥中發(fā)生錯(cuò)誤折疊的機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)新手段：利用細(xì)胞自身產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)作為微型傳感器，用以報(bào)告其所處環(huán)境及相互作用，避免了傳統(tǒng)侵入性技術(shù)可能對(duì)細(xì)胞正常生物學(xué)過程的干擾及對(duì)研究結(jié)果的扭曲。該研究成果發(fā)表于《自然・通訊》期刊。

“這種方法主要用于理解新的生物學(xué)機(jī)制，例如與癌癥等疾病狀態(tài)或感染過程相關(guān)的機(jī)制，” 布萊恩・克蘭（Brian Crane）表示。他是文理學(xué)院化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)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(shè)想用這種方法追蹤病毒的組裝過程，從而了解其組分在細(xì)胞內(nèi)的構(gòu)建方式與位置。”

克蘭作為威爾細(xì)胞與分子生物學(xué)研究所的負(fù)責(zé)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(xì)胞內(nèi)可充當(dāng)磁性標(biāo)簽。其磁性特性使其能通過電子自旋共振（ESR）光譜技術(shù)檢測(cè)，該技術(shù)類似核磁共振成像（MRI），但可測(cè)量納米級(jí)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(jiān)測(cè)其他分子在活細(xì)胞內(nèi)的組織與運(yùn)動(dòng)模式。

由于黃素蛋白廣泛存在于多種生物系統(tǒng)中，研究團(tuán)隊(duì)找到了將其作為內(nèi)置傳感器的方法。通過光激發(fā)黃素的磁性特性，他們可借助 ESR 技術(shù)直接在細(xì)胞內(nèi)研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，無需依賴合成化學(xué)物質(zhì)。

“我們?cè)谘芯磕承�黃素蛋白的特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們的磁自旋態(tài)在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定性超出預(yù)期，” 蒂莫泰・肖維雷（Timothée Chauviré）說。他是威爾研究所克蘭實(shí)驗(yàn)室的研究助理，也是該研究的第一作者，“從先前對(duì)光敏蛋白的研究中，我們意識(shí)到可以利用光來激發(fā)信號(hào)，從而通過 ESR 技術(shù)檢測(cè)這些分子�！�

克蘭指出，強(qiáng)行向細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入人工標(biāo)簽可能干擾細(xì)胞功能，而細(xì)胞會(huì)自然產(chǎn)生含黃素的探針，“如果能誘導(dǎo)細(xì)胞自身合成這些探針，效果會(huì)好得多�！�

為驗(yàn)證這一新方法，研究人員以細(xì)菌蛋白 Aer 為研究對(duì)象，該蛋白協(xié)助大腸桿菌感知氧氣。Aer 與另外兩種蛋白 CheA、CheW 協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)跨膜信號(hào)傳導(dǎo)。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(xì)胞內(nèi)的組裝過程。

“我們發(fā)現(xiàn)，Aer 會(huì)形成高階組裝體 —— 膜內(nèi)的分子陣列，通過協(xié)同作用放大信號(hào)，” 克蘭表示，“這些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在細(xì)胞外無法形成。”

借助 ESR 技術(shù)，團(tuán)隊(duì)以埃（Å）級(jí)精度測(cè)量了 Aer 二聚體（由兩個(gè)相同蛋白分子組成的復(fù)合物）中兩個(gè)黃素間的距離，不僅證實(shí)了二聚體結(jié)構(gòu)，還揭示了細(xì)胞內(nèi)形成的更大組裝體。

研究人員還開發(fā)了一種名為 iLOV 的小型工程黃素蛋白，可通過基因融合技術(shù)與其他蛋白結(jié)合，使其能被 ESR 技術(shù)可視化。這種工具如同分子標(biāo)簽，使科學(xué)家能夠研究活細(xì)胞內(nèi)幾乎任何蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與定位。

該研究還證實(shí)，此前主要局限于試管內(nèi)純化蛋白研究的 ESR 技術(shù)，如今可用于活細(xì)胞系統(tǒng)，且能呈現(xiàn)驚人的細(xì)節(jié)。

“電子自旋共振光譜技術(shù)不再局限于研究純化分子或重組系統(tǒng)，” 克蘭說。

他透露，團(tuán)隊(duì)目前正將該方法應(yīng)用于其他細(xì)胞類型，尤其是哺乳動(dòng)物細(xì)胞，探索能否在更復(fù)雜的環(huán)境中追蹤相關(guān)生物學(xué)過程。

更多信息：蒂莫泰・肖維雷等，《黃素蛋白作為活細(xì)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(xué)提供