蛋白质中光致电子转移研究方面取得新成果

2019-03-27 19:20:53 来源: 西宁信息港

8月31日,Angewandte Chemie发表了中科院生物物理研究所王江云研究员和龚为民研究员的研究成果。这篇以Genetic Incorporation of a Metal Chelating Amino Acid as a Probe for Protein Electron Transfer为题的研究论文,被该杂志选为“非常重要的论文”和内封面文章。

该研究通过基因密码子扩展,实现了在活细胞中编码螯合金属的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸,为研究生物大分子中的光致电子转移现象,

蛋白质中光致电子转移研究方面取得新成果

及利用生物元件实现高效可控的光致电荷分离提供了有力的工具。

电子传递(ET)涉及生物体内许多重要的生化过程,包括光合作用等。如何改造生物元件实现高效可控的光致电荷分离,是利用合成生物学手段生产可再生能源的重要问题和主要瓶颈。同时,目前蛋白质中的电子传递实验测量,通常只能依靠在蛋白质本身含有的残基组氨酸或半胱氨酸上连接探针来进行研究,因此该方法仅能用于研究小的可溶性蛋白,限制了其应用。光诱导电子传递(PET)导致的荧光淬灭是一种用来探索生物大分子中的动态构象变化的有力工具。但由于受到目前技术的限制,只能用酪氨酸或色氨酸作为电子供体。

本研究将具有金属螯合能力的非天然氨基酸通过基因密码子扩展的手段定点插入到绿色荧光蛋白(GFP),首次实现了在荧光蛋白发光中心至铜离子之间的快速光致电子转移,并测量到电子转移发生在1纳秒之内(接近光中心的速度)。晶体结构研究揭示了3-吡唑基酪氨酸对铜离子具有高强度结合能力。

这些新方法为蛋白动态构象变化研究提供了新的研究手段,为利用合成生物学手段生产可再生能源提供了新的研究思路,为金属蛋白设计提供了新的工具。在本论文中还提出了水母绿色荧光蛋白可能是水母的光感受器的新观点。

美国普林斯顿大学生物物理化学家Haw Yang教授评价说:“我相信,非天然氨基酸编码技术将为生物物理学-蛋白质研究领域的研究人员提供一个非常有价值的工具,而这篇文章即是推动该领域发展的研究之一,因为使用铜作为淬灭剂,可以极大地拓展基于距离测量的工具包。”

美国麻省大学生物无机化学家GUO Maolin教授认为,了解生物电子转移的机制,已被证明是一个具有挑战性的和复杂的科学问题。王江云博士和他的同事开发了一种新的策略,即通过将金属离子螯合非天然氨基酸并编码到蛋白质来研究这个复杂的问题。他们成功地将螯合Cu(II)的基团在绿色荧光蛋白(GFP)的表面编码,在405nm光诱导下,光致电子转移(PET)从蛋白发色团到Cu(II)迅速发生,并在一个纳秒制造出还原性铜(I)。这种基因编码的策略绝妙的地方在于,它为在活细胞中的蛋白质实时监控电子转移提供了机会,而这将更加精彩!

北京大学生物物理化学家高毅勤教授说,光致电子转移对蛋白质动力学的研究是一个非常有用的工具,但其应用一般限于相对简单的系统。这项工作很好地将金属离子螯合氨基酸到蛋白质,从而为蛋白质动力学研究提供了一个新的策略。这样的方法很可能将显著提高PET在蛋白质动力学研究中的适用性。

本论文的共同作者为刘晓红副研究员以及博士研究生李家松、董建树。该研究得到科技部国家重点基础研究973计划、国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助。

图:基因编码结合金属的非天然氨基酸作为光致电子转移探针

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