2021年12月16日，《自然·化學(xué)生物》期刊以“Stepwise membrane binding of extended synaptotagmins revealed by optical tweezers”為題，發(fā)表了我校光學(xué)與電子科技學(xué)院教師李旸暉副教授參與的研究成果。文章應(yīng)用光鑷研究了延長的突出結(jié)合蛋白（E-Syts）與質(zhì)膜（PM）的結(jié)合過程。我校教師李旸暉副教授為該文章的共同第一作者。

圖1 文章首頁

2018年，阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)因發(fā)現(xiàn)光的動(dòng)量可以被用作一套極其靈敏的“鑷子”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如圖2所示，足夠強(qiáng)的光線通過高度聚焦可以將塑料小球等物體固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫@些小球可以做上表面修飾以粘附在蛋白質(zhì)、細(xì)胞骨架細(xì)絲、DNA、RNA等各種生物分子上。使用光鑷捕獲兩個(gè)小球作為鉤子，將一個(gè)單分子夾在中間。通過控制激光來移動(dòng)小球以及小球中間的樣品，監(jiān)控小球的位置并測量力的值，從而計(jì)算出樣品分子的機(jī)械特性，例如其彈性，并誘導(dǎo)和研究結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。很多生物大分子的功能與其構(gòu)象和構(gòu)象動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，如蛋白質(zhì)的生物功能需要其折疊成自然形態(tài)。研究蛋白質(zhì)如何正確折疊改變構(gòu)象以實(shí)現(xiàn)生物功能，對(duì)理解疾病發(fā)生至關(guān)重要，目前利用高分辨率雙光鑷技術(shù)檢測蛋白質(zhì)折疊、去折疊和構(gòu)象動(dòng)力學(xué)已成為單分子水平上力譜研究較為火熱的技術(shù)。

圖 2 光鑷工作示意圖

E-Syts涉及到一系列相互關(guān)聯(lián)的細(xì)胞功能，包括鈣和受體信號(hào)傳導(dǎo)以及膜脂轉(zhuǎn)運(yùn)。文章基于高分辨率光鑷的新方法對(duì)人類E-Syt1、E-Syt2的胞質(zhì)部分的膜相互作用進(jìn)行了綜合分析。實(shí)驗(yàn)中將E-Syt1和E-Syt2的含C2域，即E-Syt1 C2ABCDE或E-Syt2 C2ABC一端系鏈到表面修飾過雙層的硅小球，另一端通過2260個(gè)堿基對(duì)的雙鏈DNA系鏈到聚苯乙烯小球上，兩個(gè)小球用雙光鑷分別捕獲用于檢測拉力和伸長蛋白質(zhì)-DNA。

圖 3   利用光鑷?yán)瓌?dòng)單個(gè)E-Syt1 C2ABCD域的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖4(a)為以10納米每秒的速率改變兩個(gè)光勢阱的距離，將力的變化施加在蛋白片段上的結(jié)果。FEC在低力下（<12 pN，紅色和綠色箭頭）表現(xiàn)出至少兩次伸展跳躍和高達(dá)五次的強(qiáng)力跳躍（> 12 pN，藍(lán)色箭頭）,其中低力跳躍是膜相關(guān)的。這些跳躍可能是由于不同C2結(jié)構(gòu)域從脂質(zhì)雙層逐步打開所致，揭示了C2結(jié)構(gòu)域結(jié)合PM并調(diào)節(jié)ER與PM距離的過程。

圖4   (a)光鑷測得的存在或不存在脂質(zhì)雙層時(shí)拉動(dòng)單個(gè)C2重復(fù)序列獲得的距離與力的關(guān)系(FEC)；(b)與圖(a)對(duì)應(yīng)的不同的C2結(jié)合狀態(tài)的示意圖。