康奈尔大学的研究人员发现了一种新的、可能更准确的方法来观察蛋白质在活细胞内的作用——利用细胞自身的成分作为内置传感器。

这种方法可以帮助科学家研究分子在细胞（包括病毒）内如何关联，以及蛋白质在癌症和神经退行性疾病等疾病中如何错误折叠。

研究人员发现了一种新方法，利用细胞产生的天然蛋白质作为微型传感器，报告其环境和相互作用，而无需使用传统的侵入性技术，因为传统的侵入性技术可能会干扰细胞的正常生物学功能并影响研究结果。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

“该方法主要用于理解新的生物机制，例如可能与癌症等疾病状态或感染有关的机制，”艺术与科学学院化学和化学生物学系的 George W. 和 Grace L. Todd 教授兼该出版物的通讯作者 Brian Crane 说。

“例如，人们可以用这种方法追踪病毒的组装，以了解病毒的组成部分在细胞内是如何构建的，以及在何处构建的。”

克兰是威尔细胞与分子生物学研究所的主任，他和同事们专注于研究黄素，这是一种源自维生素B2的小分子，在细胞内可以充当磁性标记。这种（ESR）光谱的技术进行检测。这种技术类似于核磁共振成像仪，但可以测量极其微小的变化和纳米级的距离。通过追踪携带黄素的黄素蛋白的行为，研究人员可以检测其他分子在活细胞内的组织和运动方式。

 

 

由于黄素蛋白存在于许多生物系统中，研究人员发现了一种将其用作内置传感器的方法。通过用光触发黄素的磁性，他们可以利用ESR直接研究细胞内部的蛋白质结构——无需合成化学物质。

“我们当时正在研究某些黄素蛋白的特性，发现它们的磁自旋态在细胞中比预期的更稳定，”威尔研究所克兰实验室的研究员、该研究的主要作者蒂莫西·肖维雷（Timothée Chauviré）说道。“从早期对光敏蛋白的研究来看，我们意识到可以利用光来触发所需的信号，从而利用ESR技术检测这些分子。”

强行将人工标签植入细胞可能会干扰细胞功能，但细胞会自然产生含黄素的探针，因此“如果你能诱使细胞制造它们，那就更好了，”克兰说。

为了测试他们的新方法，研究人员研究了一种名为Aer的细菌蛋白，它帮助大肠杆菌感知氧气。Aer与另外两种蛋白质CheA和CheW协同作用，跨膜传递信号。虽然这些蛋白质之前已被研究过，但这是研究人员首次能够直接观察Aer受体在活细胞内的组装方式。

“我们了解到，Aer 会形成高阶组装体，即膜中的分子阵列，它们共同作用放大信号，”Crane 说。“这些结构不稳定，无法在细胞外形成。”

研究人员还开发了一种名为iLOV的小型工程黄素蛋白，它可以通过基因工程技术与其他蛋白质融合，使其能够通过ESR技术显现出来。这种工具就像一个分子标签，使科学家能够研究活细胞内几乎任何蛋白质的结构和定位。

该研究还表明，ESR 以前主要限于试管中的纯化蛋白质，现在可用于生物系统并具有惊人的细节。

“ESR 光谱不仅限于研究纯化分子或重构系统，”Crane 说。

他说，该团队目前正在将该方法应用于其他细胞类型，特别是，以查看它们是否能够在更复杂的环境中追踪过程。