通過電子自旋共振技術分析的兩種不同化學傳感系統(tǒng)：具有內源性黃素中心的 Aer 蛋白，以及由小型黃素蛋白 iLOV 提供外源性黃素中心的 CheA 蛋白。圖片來源：《自然・通訊》（2025）。DOI：10.1038/s41467-025-60623-6

康奈爾大學的研究人員發(fā)現了一種新方法，有望更精準地觀察活細胞內蛋白質的動態(tài) —— 利用細胞自身成分作為內置傳感器。

這種方法可幫助科學家研究分子在細胞內（包括病毒內部）的結合方式，以及蛋白質在癌癥、神經退行性疾病等病癥中發(fā)生錯誤折疊的機制。

研究團隊發(fā)現了一種創(chuàng)新手段：利用細胞自身產生的天然蛋白質作為微型傳感器，用以報告其所處環(huán)境及相互作用，避免了傳統(tǒng)侵入性技術可能對細胞正常生物學過程的干擾及對研究結果的扭曲。該研究成果發(fā)表于《自然・通訊》期刊。

“這種方法主要用于理解新的生物學機制，例如與癌癥等疾病狀態(tài)或感染過程相關的機制，” 布萊恩・克蘭（Brian Crane）表示。他是文理學院化學與化學生物學系的喬治・W・與格蕾絲・L・托德講席教授，也是該論文的通訊作者。
“例如，我們可以設想用這種方法追蹤病毒的組裝過程，從而了解其組分在細胞內的構建方式與位置�！�

克蘭作為威爾細胞與分子生物學研究所的負責人，與同事們聚焦于黃素（flavins）—— 這類源自維生素 B2 的小分子在細胞內可充當磁性標簽。其磁性特性使其能通過電子自旋共振（ESR）光譜技術檢測，該技術類似核磁共振成像（MRI），但可測量納米級距離及極小的變化。通過追蹤攜帶黃素的黃素蛋白（flavoproteins）的行為，研究人員能夠監(jiān)測其他分子在活細胞內的組織與運動模式。

由于黃素蛋白廣泛存在于多種生物系統(tǒng)中，研究團隊找到了將其作為內置傳感器的方法。通過光激發(fā)黃素的磁性特性，他們可借助 ESR 技術直接在細胞內研究蛋白質結構，無需依賴合成化學物質。

“我們在研究某些黃素蛋白的特性時發(fā)現，它們的磁自旋態(tài)在細胞內的穩(wěn)定性超出預期，” 蒂莫泰・肖維雷（Timothée Chauviré）說。他是威爾研究所克蘭實驗室的研究助理，也是該研究的第一作者，“從先前對光敏蛋白的研究中，我們意識到可以利用光來激發(fā)信號，從而通過 ESR 技術檢測這些分子�！�

克蘭指出，強行向細胞內導入人工標簽可能干擾細胞功能，而細胞會自然產生含黃素的探針，“如果能誘導細胞自身合成這些探針，效果會好得多�！�

為驗證這一新方法，研究人員以細菌蛋白 Aer 為研究對象，該蛋白協助大腸桿菌感知氧氣。Aer 與另外兩種蛋白 CheA、CheW 協同作用，實現跨膜信號傳導。盡管這些蛋白此前已被研究，但這是科研人員首次直接觀察到 Aer 受體在活細胞內的組裝過程。

“我們發(fā)現，Aer 會形成高階組裝體 —— 膜內的分子陣列，通過協同作用放大信號，” 克蘭表示，“這些結構穩(wěn)定性差，在細胞外無法形成。”

借助 ESR 技術，團隊以埃（Å）級精度測量了 Aer 二聚體（由兩個相同蛋白分子組成的復合物）中兩個黃素間的距離，不僅證實了二聚體結構，還揭示了細胞內形成的更大組裝體。

研究人員還開發(fā)了一種名為 iLOV 的小型工程黃素蛋白，可通過基因融合技術與其他蛋白結合，使其能被 ESR 技術可視化。這種工具如同分子標簽，使科學家能夠研究活細胞內幾乎任何蛋白質的結構與定位。

該研究還證實，此前主要局限于試管內純化蛋白研究的 ESR 技術，如今可用于活細胞系統(tǒng)，且能呈現驚人的細節(jié)。

“電子自旋共振光譜技術不再局限于研究純化分子或重組系統(tǒng)，” 克蘭說。

他透露，團隊目前正將該方法應用于其他細胞類型，尤其是哺乳動物細胞，探索能否在更復雜的環(huán)境中追蹤相關生物學過程。

更多信息：蒂莫泰・肖維雷等，《黃素蛋白作為活細胞電子自旋共振光譜的天然及基因編碼自旋探針》，《自然・通訊》（2025）。DOI：10.1038/s41467-025-60623-6

期刊信息：《自然・通訊》

康奈爾大學提供