Nature新技术：定量分析膜蛋白互作

　　

前文：Nature技术人物：爱散步的生物物理学家

Müller利用原子力显微技术，并结合新的理论方法来计算，绘制出了一张配体结合全景图（ligand-binding free-energy landscape）。

对于目前他居住的城市：巴塞尔，Müller就很熟悉，当年他就是在这座城市的Biozentrum大学完成了其物理学的博士工作，也继续进行了部分博士后研究，之后他进入了马普分子细胞生物学与遗传学研究院组建研究小组，并创建了一个生物纳米技术研究中心：B CUBE。

同时Müller也开了自己的公司——nAmbition，主要是将其之前开发测量单分子之间相互作用的一种设备商业化，在他将这家公司卖给了德国特殊仪器制造商JPK之后，Müller也逐渐意识到他还需要更多，其他研究人员也需要更多。

为此Müller再次进行了深入的研究，他报道了一种利用力-距离曲线的原子力显微技术（force-distance curve–based），同步成像细胞膜上的单个天然G蛋白偶联受体，并定量分析了其与天然和合成配体之间的这种动态结合力。这将能为未来膜蛋白互作研究提供新的技术工具。

由于细胞质膜是流动的, 膜蛋白在这种动态的细胞质膜中可以发生移动和胞吞循环. 越来越多的研究表明, 膜的流动性以及膜蛋白在质膜中的运动, 在信号传递以及物质运输中起到关键作用. 因此, 质膜的动态成像对深入研究生物功能显得尤为重要. 然而, 这种纳米尺度(nanometers)上的膜结构, 以及微秒尺度(microseconds)上的快速运动, 多年来一直缺乏合适的研究手段, 成为质膜成像和研究膜蛋白在质膜上的分布和动力学特征的障碍. 蛋白分子的运动和重排通常发生在几微秒到几分钟, 用常规的显微镜观察固定或冷冻后的样品不合适, 而其他的显微成像技术也无法达到这种快速成像的目的.

单分子技术是在荧光标记的基础上, 运用现代分子成像技术, 对单个蛋白或蛋白聚合体的运动特征和规律进行观察与分析的技术, 现在已经发展成为一种用于检测和发现一些新的膜蛋白功能机制的有效方法. 利用单分子技术的高分辨率, 可以在纳米尺度上观察膜蛋白分子的运动以及分布状态.

更为重要的是, 单分子技术是在活体状态下, 对某一特异蛋白或蛋白聚合体进行的动态分析. 这一技术克服了过去常用的细胞和分子生物学方法来研究膜受体蛋白激活、膜蛋白功能等参数的缺陷, 因为这些结论大都是基于药理学处理而获得的, 是建立在对分子整体活动的集群平均(ensemble averaging).

不过还有不少难题值得深入研究. 譬如, 膜蛋白在质膜与胞质之间的转换以及准确界定, 组成型胞吞与降解型胞吞之后膜蛋白的最终去向等方面的研究尚存在不足和空白毋庸置疑, 这需要采用新的技术和方法, 如超高分辨率显微技术, 包括受激发射损耗术(stimulated emis-sion depletion, STED)、随机光子重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)、光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy, PALM)等, 以及新的图像和数据软件的分析, 对活细胞内质膜不同微区结构, 以及单个生物分子的动力学过程开展更加精确地划分和定量分析, 结合分子遗传学手段, 进而揭示在最接近生理活性状态下的质膜组分和膜蛋白的功能特征, 阐明胞吞途径对膜蛋白的调控机制.

（生物通）

原文检索：

Alsteen, D. et al. Imaging G protein–coupled receptors while quantifying their ligand-binding free-energy landscape. Nat. Methods 12, 845–851 (2015). . Nat. Methods