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近日，中國科學院上海應(yīng)用物理研究所研究人員實現(xiàn)了對界面酶分子的單分子實時熒光成像，通過對運動軌跡的分析發(fā)現(xiàn)酶分子的趨向運動(Chemotaxis)是平動與轉(zhuǎn)動的競爭平衡結(jié)果，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。
液體中的分子通常作無規(guī)則的布朗運動。對于有催化活性的酶分子而言，它們可利用酶促反應(yīng)過程中底物轉(zhuǎn)化時釋放的能量驅(qū)動其自身的運動。以往研究表明，酶分子運動的擴散系數(shù)與底物濃度呈正相關(guān)， 該現(xiàn)象被稱為酶促分子馬達。然而，酶分子是否存在類似細菌的趨向運動，即酶分子是否主動向底物濃度高的方向擴散，是一個疑問。例如，美國加利福尼亞大學伯克利分校教授Bustamante提出可以用“化學聲效應(yīng) （chemoacoustic effect）”來解釋這種酶促分子馬達。同期發(fā)表的對該文的評述中，美國賓夕法尼亞大學教授Joshua Wand則指出，“看起來有可能酶分子進化出了尋找底物的能力，但此觀點尚應(yīng)存疑。”
上海應(yīng)物所物理生物學研究室博士研究生孫樂樂，高延靜在研究員李迪、樊春海等指導(dǎo)下，基于DNA折紙術(shù)(DNA origami)發(fā)展了一種對界面上酶級聯(lián)反應(yīng)中的單個酶分子運動軌跡實時成像的方法，并對酶分子趨向運動機制作出解釋。研究人員以膽固醇修飾的DNA分子為錨定鏈，并利用膽固醇分子可以嵌入磷脂雙層膜的特點，將酶分子固定在二維磷脂分子界面。研究發(fā)現(xiàn)，不同錨定手段可以控制酶分子在二維磷脂界面上的運動速度。其中，利用雙鏈DNA動態(tài)錨定（dynamic tethering）的酶分子，可以在二維界面上自由擴散；而利用DNA折紙筏（origami raft）靜態(tài)錨定（static tethering）的酶分子，則固定在磷脂膜上不動。基于此，科研人員在磷脂雙分子層的二維界面上構(gòu)建了一個酶級聯(lián)反應(yīng)：其中上游的葡萄糖氧化酶在界面上固定不動，而下游的過氧化氫酶可以在界面上自由擴散。利用全內(nèi)反射顯微鏡，他們實時觀測了單個酶分子的運動軌跡。研究發(fā)現(xiàn)：以葡萄糖氧化酶分子為坐標中心，下游的過氧化氫酶分子的平動速率確實隨上游底物葡萄糖的增加而加快，但上下游酶分子的相對空間距離并未隨酶促反應(yīng)而改變。他們利用Einstein relation計算了界面上過氧化氫酶分子的自旋弛豫時間，發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶的轉(zhuǎn)動速率大大快于其平動速率，過氧化氫酶分子轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)，其平動距離僅為其自身直徑的1/6，即使在酶促反應(yīng)中，酶分子也并不存在趨向運動，趨向運動是平動與轉(zhuǎn)動的競爭平衡結(jié)。
這一工作解釋了酶促馬達并未造成趨向運動的原因。該工作構(gòu)建的控制界面上不同蛋白質(zhì)分子運動速度的方法及對蛋白質(zhì)運動軌跡實時成像的平臺，可用于研究信號通路中多種蛋白質(zhì)作用及抑制劑篩選，為研究蛋白質(zhì)間的動態(tài)相互作用提供了新工具。(生物谷Bioon.com）
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