上海應物所在單分子酶促反應分子馬達研究中獲進展

　　近日，中國科學院上海應用物理研究所研究人員實現了對界面酶分子的單分子實時熒光成像。

上海應物所在單分子酶促反應分子馬達研究中獲進展

　　通過對運動軌跡的分析發現酶分子的趨向運動(Chemotaxis)是平動與轉動的競爭平衡結果，相關工作發表在Journal of the American Chemical Society上。

　　液體中的分子通常作無規則的布朗運動。對于有催化活性的酶分子而言，它們可利用酶促反應過程中底物轉化時釋放的能量驅動其自身的運動。以往研究表明，酶分子運動的擴散系數與底物濃度呈正相關， 該現象被稱為酶促分子馬達。然而，酶分子是否存在類似細菌的趨向運動，即酶分子是否主動向底物濃度高的方向擴散，是一個疑問。例如，美國加利福尼亞大學伯克利分校教授Bustamante提出可以用“化學聲效應 （chemoacoustic effect）”來解釋這種酶促分子馬達。同期發表的對該文的評述中，美國賓夕法尼亞大學教授Joshua Wand則指出，“看起來有可能酶分子進化出了尋找底物的能力，但此觀點尚應存疑。”

　　上海應物所物理生物學研究室博士研究生孫樂樂，高延靜在研究員李迪、樊春海等指導下，基于DNA折紙術(DNA origami)發展了一種對界面上酶級聯反應中的單個酶分子運動軌跡實時成像的方法，并對酶分子趨向運動機制作出解釋。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，將酶分子固定在二維磷脂分子界面。研究發現，不同錨定手段可以控制酶分子在二維磷脂界面上的運動速度。其中，利用雙鏈DNA動態錨定（dynamic tethering）的酶分子，可以在二維界面上自由擴散；而利用DNA折紙筏（origami raft）靜態錨定（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建了一個酶級聯反應：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散。利用全內反射顯微鏡，他們實時觀測了單個酶分子的運動軌跡。研究發現：以葡萄糖氧化酶分子為坐標中心，下游的過氧化氫酶分子的平動速率確實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而改變。他們利用Einstein relation計算了界面上過氧化氫酶分子的自旋弛豫時間，發現過氧化氫酶的轉動速率大大快于其平動速率，過氧化氫酶分子轉動一圈的時間內，其平動距離僅為其自身直徑的1/6，即使在酶促反應中，酶分子也并不存在趨向運動，趨向運動是平動與轉動的競爭平衡結。

　　這一工作解釋了酶促馬達并未造成趨向運動的原因。該工作構建的控制界面上不同蛋白質分子運動速度的方法及對蛋白質運動軌跡實時成像的平臺，可用于研究信號通路中多種蛋白質作用及抑制劑篩選，為研究蛋白質間的動態相互作用提供了新工具。