如何在不破坏分子的情况下研究“大”分子

俄克拉荷马大学生物学助理教授Luca Fornelli从美国国立卫生研究院获得了一项为期五年的“最大化研究者研究奖”(MIRA)，以支持发展技术进步，使理解整个大分子结构的创新基础研究成为可能。

　　

   

   

Luca Fornelli，俄克拉何马大学道奇家族艺术与科学学院生物学助理教授    

就像透过树木看到森林一样，研究一个完整的分子具有不可思议的科学价值，但没有最新的技术是很难做到的。

俄克拉荷马大学道奇家族艺术与科学学院的生物学助理教授卢卡·福内利(Luca Fornelli)从美国国立卫生研究院获得了一项为期五年的“最大化研究者研究奖”(MIRA)，该奖旨在通过为研究人员提供“更大的稳定性和灵活性，从而提高科学生产力和重要突破的机会”，提高国家普通医学科学研究所的资金效率。

Fornelli研究的是蛋白质组学，这是一门研究特定细胞或组织内所有蛋白质的科学。蛋白质是一种复杂的大分子，在人体中起着重要作用。它们主要在细胞中工作，是人体组织和器官的结构、功能和调节所必需的。然而，Fornelli说:“蛋白质本身并不存在。”相反，有许多不同形式的蛋白质被称为蛋白质形式。

Fornelli说:“蛋白质组学的标准方法是将蛋白质分解成碎片，这样就可以研究那些更小的成分，试图推断出关于原始分子的信息。”

这种方法被称为“自下而上”或“鸟枪”蛋白质组学，之所以使用这种方法，是因为分子通常相当大，很难作为一个整体来研究。

Fornelli的实验室专门研究一种叫做“自上而下蛋白质组学”的方法，这种方法观察蛋白质的原始形态。这很重要，因为它有助于科学家了解分子的不同修饰，这些修饰可能会改变组织或细胞中蛋白质形式的活性。例如，COVID-19病毒的刺突蛋白。

COVID-19刺突蛋白有多个被称为糖基化的非常特定的糖修饰位点。使用更常见的自下而上的蛋白质组学研究方法，科学家将能够知道修饰位点在哪里，以及它们是如何修饰的。

Fornelli说:“一旦你把蛋白质切成碎片，你就无法重新组装起来，并确保哪一部分与哪一部分相连接……而且有一些修改，一旦在蛋白质上，就会排除其他部分——或者只有在其他部分已经存在的情况下，才可以添加到分子上。”所以，除非你有可能把这种蛋白质形式看作一个完整的分子，否则基本上不可能知道这些修饰是如何相互作用的。”

换句话说，科学家可以知道在哪里发生了改变，并识别单个的改变，但他们无法确定组分是如何组合的。然而，有了福内利正在开发的技术，科学家将能够看到全貌——不同的修饰是如何结合在一起的。

Fornelli提交的MIRA奖使用了俄克拉何马大学通过2021年战略设备投资项目获得的仪器收集的数据，该项目由俄克拉何马大学负责研究和伙伴关系的副校长办公室提供。5万美元的投资购买了一种最先进的自动、高通量生物分子纯化仪器，被多个领域的分子科学家使用。Fornelli说，这种仪器提高了研究人员同时比较多种相互作用的能力。

Fornelli说:“当你研究疾病时，特别是——但也包括基础生物学——你通常不会只有二元A和B类型的比较，但你需要多个对照。在我们的研究中，我们想要监测我们能检测到的蛋白质形态的所有变化，我们想要通过多次生物复制来做到这一点，以便有统计能力说，‘是的，这种情况是由这种或那种蛋白质形态的存在引起的’，或者，‘是的，药物确实有效;这不是一次，只是偶然。’所以，这是一种可以让你获得高通量结果的设备，这对于基础生物学家研究细胞中的某种机制以及进行翻译研究都非常重要。”

现在，在MIRA基金的支持下，Fornelli想要确保他的实验室能够定性和定量地分析完整的蛋白质，即使它们非常大。

他说:“当我们进行自上而下的实验时，我们的大多数问题都来自于具有一定分子量的蛋白质。在此基础上，多年来，质谱分析技术不断发展，现在我们可以看到不同蛋白质的复合物。这非常重要，因为我们可以研究这些复合物的结构，而这些复合物代表了蛋白质在细胞中工作的实际形式，就像小型分子机器一样。”

具体来说，Fornelli和他的合作者最近一直在研究伴侣蛋白是如何根据它们所具有的一系列修饰来工作的。伴侣蛋白是一组功能相关的蛋白质，当细胞经历生理或应激条件时，它们可以作为蛋白质如何聚集或“折叠”在一起的催化剂。

他说:“它们与这种或另一种蛋白质相互作用，这取决于它们如何被修饰，所以本质上它们产生的不是一种，而是无数种不同的复合物，这取决于它们的表面如何被修饰。”

从自上而下的蛋白质组学角度来看，他们正在研究的两种伴侣蛋白非常大，这使得它们很难研究，当它们与其他蛋白质相互作用时就更困难了。

除了基础生物学之外，开发描述大型完整蛋白质的技术对疗法的开发和测试也很有用。

“当你想到生物制剂或基于蛋白质的新型药物时，这种类型的技术将非常重要，因为否则我们将无法以非常好的分子细节水平来观察这些分子的产生方式，以知道预期设计和实际分子之间是否有真正的对应关系。然后，他们如何在血液中生存，”他说。“当然，因为当它们被注射到病人体内时，它们处于一个可以开始被修改的环境中。因此，了解这些改变是很重要的，因为它们对治疗的效果和患者的健康有直接影响。”

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