超高时空分辨率显微镜观察单个蛋白质的移动，便于研究病变的蛋白质本质

2014年诺贝尔化学奖得主Stefan Hell领导的马克思·普朗克研究所团队开发了一种超分辨率显微镜，其时空分辨率为1 nm/ms。基于MINFLUX超分辨显微镜，研究者能够观察单个蛋白质的微小运动，这达到了前所未有的分辨率。

研究细胞的内部运作需要了解单个蛋白质的生物化学，关键的挑战是测量它们位置和形状的微小变化。荧光显微镜，特别是超分辨率显微镜，在这个领域是至关重要的。MINFLUX 到目前为止已经获得了数纳米的空间分辨率—— 小型有机分子的大，而进一步了解分子细胞生理学需要更高时间分辨率。

MINFLUX 最初用于追踪细胞中荧光标记的蛋白质。然而，它们的运动是随机的，轨迹的精度高达数十纳米。在目前的工作中，该团队将 MINFLUX 的分辨能力应用于蛋白质的构象变化，特别是运动蛋白驱动蛋白 -1。

新型 MINFLUX 可用于跟踪单个荧光分子。

图1 运动蛋白驱动蛋白 -1(红色)在微管(白色)上的运动轨迹。在ATP 生理浓度下追踪单个驱动蛋白 -1二聚体的平面运动揭示了蛋白质在单个通道中的行走细节。MINFLUX 促进了微管上运动蛋白的近原丝追踪(灰色)。

然而，传统蛋白质动力学的测量方法存在严重的局限性，使它们无法处理亚纳米和亚毫秒的范围。空间和时间分辨率相互竞争：有些提供高空间分辨率，只有几纳米，但不能足够快地跟踪变化。另一些时间分辨率较高，但需要使用比研究中的蛋白质大2-3个数量级的追踪标记。

MINFLUX 只需要一个1纳米的荧光分子作为蛋白质的标签，因此可以提供研究本地蛋白质动力学所需的分辨率和最小的侵入性。

Otto Wolff博士称：“一个挑战在于MINFLUX 显微镜需要突破理论极限，并屏蔽环境噪音。”

Lukas scheider博士后称：“设计不影响蛋白质功能但仍能揭示其生物学机制的探针是另一种思路。”

新型MINFLUX能够以高达1.7 nm/ms 的时空精度记录蛋白质的运动，它只需要检测由荧光分子反射的大约20个光子。

Hell称：“我认为我们正在开启一个新的篇章，研究单个蛋白质的动力学以及它们在功能过程中如何改变形状。同时提供的高空间和时间分辨率将使研究人员探测生物分子新动力学行为。”

细胞依赖驱动蛋白 -1用于运输货物，这种蛋白质的突变是一些疾病的根本原因。而驱动蛋白 -1沿着连接细胞的微管移动。这种运动通常发生在形成微管的13条原丝中的一条，由细胞主要能量供应者 ATP (三磷酸腺苷)的分裂产生动力。

若只使用荧光团标记驱动蛋白 -1，研究人员记录了16纳米的蛋白质，以及8纳米内的运动。

结果表明，ATP 作为与微管结合的蛋白质的单个“头”被吸收，但当两个头结合时，ATP 水解。此外，这一步涉及到蛋白质“茎”(驱动蛋白分子中承载货物的部分)的旋转，以及每一步最初阶段头部的旋转。

[1] Jinyu Fei,Ruobo Zhou,Watching biomolecules stride in real time, Science, 379, 6636, (986-987), (2023).

新闻链接：

https://www.photonics.com/Articles/Superresolution_Method_Captures_Conformational/a68845