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蛋白质新功能:电导体!新发现颠覆传统认知

日期: 2019-03-08
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传统上,单蛋白质分子被广泛认为是电绝缘体。最近的一项发现推翻了这一观点,指出蛋白质是强的电导体。亚利桑那州立大学的这一发现令所有参与者感到吃惊。“如果你5年前告诉我蛋白质将是良好的电路元件,我会嘲笑你-这太荒谬了,”生物设计单分子生物物理中心(ASU)主任Stuart Lindsay这样评论。

蛋白质是生命的重要组成部分,但它们的作用可能差别很大。它们由20个氨基酸组成,由不同的DNA片段编码。它们的三级结构——或有时具有四级结构——依赖于整个多肽链中不同点的不同氨基酸之间的相互作用,并且可能变得越来越复杂。


从抗体到酶到信使,多年来科学家们一直在仔细研究蛋白质,因为它们在许多生命关键过程中发挥着重要作用。但是,还有很多东西需要学习。最近发现的一个令人惊讶的蛋白质特征是蛋白质可以在适当的条件下导电。


从荒谬到证明

这项最新研究发表在“美国国家科学院院刊”上,已经取得了实验性的进展。为什么蛋白质可以成为良好的电导体?正如科学的所有进展一样,随着这一新发现完全推翻了他们以前所持有的信念,研究人员开始致力于探索这种新的蛋白质特征。


“几年前我们就已经发现,一种参与将细胞粘在一起蛋白质,不具有已知的电功能,如果通过它自身识别的蛋白质配体与电极相连,就会像完美的电线一样可以传导电信号。”Lindsay解释。


“这对我们来说是一个巨大的谜。目前的研究旨在确定这是否是“任何一种蛋白质都具有的一般属性”。这看起来是真的,事实证明:我们尝试过的所有蛋白质,通过它们识别的特定分子连接到电极上,就能制造出几乎完美的分子电线——尽管我们还远未理解为什么会这样。“


研究小组发现,蛋白质必须通过它们结合的特定分子与电极连接,才能它们转化为电导体。当一切就绪时,它们就成为一个电子回路的完美组成部分。


传递信息

在呼吸,光合作用和其他关键生物过程中,整个系统中的电子流动是反应的重要部分。由于没有直接的分析方法,因此难以理解其复杂的内部工作原理。在Lindsay团队的新研究中,单个蛋白质分子的电子测量只需使用扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope)即可完成。


该团队发现的第一种能成为电导体的蛋白质是整合素,整合素能够将细胞的细胞骨架连接附着在细胞外基质上。当整合素参与识别一个小的多肽分子时,它就成为一种强电导体。这个发现使得该小组开始寻找其他能够成为导体的蛋白质。


研究人员专门在已知没有参与电子转移作用的蛋白质中寻找研究目标,他们选择了六种蛋白质进行下一步研究。同样的,当电极连接到某个蛋白质在天然水性环境中能结合的配体分子上时,这个蛋白质就能作为成功的导体。


该团队的一项重要发现是,当可以构建两个特定的接触点时,蛋白的电导率最高——例如,用具有两个抗原结合位点的抗体,可实现电导率最高。而当将抗体切成两半时,观察到电导率显着降低。


蛋白质电子生命的下一步是什么?

研究当然不会止步于此,因为这将有可能实现以高特异性检测单个分子的新方法,以及将蛋白质构建为电路的组件。该技术将有望实现通过抗原结合位点——也就是抗原表位——以电信号来检测抗体和抗原之间的结合。


理论上,当电极连接到抗原表位上,如果存在单个抗体就应当能够被电感应到。该方法的一个好处是当没有抗体附着时,读数将为零,不存在生化荧光测定中由于背景信号导致的错误读数的风险。


Lindsay现在正致力于利用这个知识lai 设计系统:“一个蛋白结合位点就可以,但最好的回路是由两个特定的蛋白结合位点组成的。一旦掌握了这些知识,就像告诉你如何使用一块电子设计软件来制作蛋白质电路。”


该团队现在希望开发基于芯片的技术版本。 这可以通过连接到计算机来帮助推进个性化医疗领域,将从新方法收集的信息转换成即时分析的结果。 “接下来的步骤实际上是制造一些基于蛋白质的机器,这些机器将在医学和分析化学中发挥非常有用的作用,”Lindsay总结道。 “这项技术非常强大。”


转自生物通

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