ACIE：蛋白質(zhì)中光致電子轉(zhuǎn)移研究方面獲得重要進(jìn)展

2012年8月31日，Angewandte Chemie International Edition  以“very important paper”及“inside cover article”的形式發(fā)表了王江云研究組及龔為民研究組題為Genetic Incorporation of a Metal Chelating Amino Acid as a Probe for Protein Electron Transfer的研究成果。該研究通過基因密碼子擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)在活細(xì)胞中編碼螯合金屬的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸，為研究生物大分子中的光致電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，及利用生物元件實(shí)現(xiàn)可控的光致電荷分離提供了有力的工具。

電子傳遞（ET）涉及生物體內(nèi)許多重要的生化過程，包括光合作用等。如何改造生物元件實(shí)現(xiàn)可控的光致電荷分離，是利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源的重要問題和主要瓶頸。同時，目前蛋白質(zhì)中的電子傳遞實(shí)驗(yàn)測量通常只能依靠在蛋白質(zhì)本身含有的殘基組氨酸或半胱氨酸上連接探針來進(jìn)行研究，因此該方法僅能用于研究小的可溶性蛋白，限制了其應(yīng)用。光誘導(dǎo)電子傳遞（PET）導(dǎo)致的熒光淬滅是一種用來探索生物大分子中的動態(tài)構(gòu)象變化的有力工具。但由于受到目前技術(shù)的限制，只能用酪氨酸或色氨酸作為電子供體。

該研究將具有金屬螯合能力的非天然氨基酸通過基因密碼子擴(kuò)展的手段定點(diǎn)插入到綠色熒光蛋白（GFP），實(shí)現(xiàn)了在熒光蛋白發(fā)光中心至銅離子之間的快速光致電子轉(zhuǎn)移，并測量到電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在1 納秒之內(nèi)（接近光中心的速度）。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示了3-吡唑基酪氨酸對銅離子具有高強(qiáng)度結(jié)合能力。這些新方法為蛋白動態(tài)構(gòu)象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設(shè)計提供了新的工具。該論文還提出了水母綠色熒光蛋白可能是水母的光感受器的新觀點(diǎn)。

美國Princeton University 生物物理化學(xué)家 Haw Yang 教授評議說：“我相信，非天然氨基酸編碼技術(shù)對生物物理學(xué)-蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的研究人員將提供一個非常有價值的工具，而這篇文章即是推動該領(lǐng)域發(fā)展的研究之一，因?yàn)槭褂勉~作為淬滅劑，可以極大地拓展基于距離測量的工具包。”

美國University of Massachusetts生物無機(jī)化學(xué)家GUO Maolin 教授評議說：“了解生物電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制，已被證明是一個具有挑戰(zhàn)性的和復(fù)雜的科學(xué)問題。中國科學(xué)院生物物理研究所王博士和他的同事開發(fā)了一種新的策略，即通過將金屬離子螯合非天然氨基酸并編碼到蛋白質(zhì)來研究這個復(fù)雜的問題。他們成功的將螯合Cu（II）的基團(tuán)在綠色熒光蛋白（GFP）的表面編碼，在405nm光誘導(dǎo)下，光致電子轉(zhuǎn)移（PET）從蛋白發(fā)色團(tuán)到Cu（II）迅速發(fā)生，并在一個納秒制造出還原性銅（I）。這種基因編碼的策略絕妙的地方在于，它為在活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)實(shí)時監(jiān)控電子轉(zhuǎn)移提供了機(jī)會，而這將更加精彩！”

北京大學(xué)生物物理化學(xué)家高毅勤教授評議說：“光致電子轉(zhuǎn)移對蛋白質(zhì)動力學(xué)的研究是一個非常有用的工具，但其應(yīng)用一般限于相對簡單的系統(tǒng)。這項(xiàng)工作很好地將金屬離子螯合氨基酸到蛋白質(zhì)，從而為蛋白質(zhì)動力學(xué)研究提供了一個新的策略。這樣的方法很可能將顯著提高PET在蛋白質(zhì)動力學(xué)研究中的適用性。”

本論文的共同*作者為劉曉紅副研究員及博士研究生李家松、董建樹。該研究得到科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973計劃、國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院的資助。