蛋白質(zhì)新功能:電導(dǎo)體！新發(fā)現(xiàn)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2019-03-10 10:18:00【大中小】

傳統(tǒng)上，單蛋白質(zhì)分子被廣泛認(rèn)為是電絕緣體。最近的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)推翻了這一觀點(diǎn)，指出蛋白質(zhì)是強(qiáng)的電導(dǎo)體。亞利桑那州立大學(xué)的這一發(fā)現(xiàn)令所有參與者感到吃驚。“如果你5年前告訴我蛋白質(zhì)將是良好的電路元件，我會(huì)嘲笑你-這太荒謬了，”生物設(shè)計(jì)單分子生物物理中心（ASU）主任Stuart Lindsay這樣評(píng)論。

最近的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)是強(qiáng)的電導(dǎo)體

蛋白質(zhì)是生命的重要組成部分，但它們的作用可能差別很大。它們由20個(gè)氨基酸組成，由不同的DNA片段編碼。它們的三級(jí)結(jié)構(gòu)——或有時(shí)具有四級(jí)結(jié)構(gòu)——依賴于整個(gè)多肽鏈中不同點(diǎn)的不同氨基酸之間的相互作用，并且可能變得越來越復(fù)雜。

從抗體到酶到信使，多年來科學(xué)家們一直在仔細(xì)研究蛋白質(zhì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谠S多生命關(guān)鍵過程中發(fā)揮著重要作用。但是，還有很多東西需要學(xué)習(xí)。最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)令人驚訝的蛋白質(zhì)特征是蛋白質(zhì)可以在適當(dāng)?shù)臈l件下導(dǎo)電。

從荒謬到證明

這項(xiàng)最新研究發(fā)表在“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上，已經(jīng)取得了實(shí)驗(yàn)性的進(jìn)展。為什么蛋白質(zhì)可以成為良好的電導(dǎo)體？正如科學(xué)的所有進(jìn)展一樣，隨著這一新發(fā)現(xiàn)完全推翻了他們以前所持有的信念，研究人員開始致力于探索這種新的蛋白質(zhì)特征。

亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)單分子生物物理中心主任Stuart Lindsay

“幾年前我們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一種參與將細(xì)胞粘在一起蛋白質(zhì)，不具有已知的電功能，如果通過它自身識(shí)別的蛋白質(zhì)配體與電極相連，就會(huì)像完美的電線一樣可以傳導(dǎo)電信號(hào)。”Lindsay解釋。

“這對(duì)我們來說是一個(gè)巨大的謎。目前的研究旨在確定這是否是“任何一種蛋白質(zhì)都具有的一般屬性”。這看起來是真的，事實(shí)證明：我們嘗試過的所有蛋白質(zhì)，通過它們識(shí)別的特定分子連接到電極上，就能制造出幾乎完美的分子電線——盡管我們還遠(yuǎn)未理解為什么會(huì)這樣。“

研究小組發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)必須通過它們結(jié)合的特定分子與電極連接，才能它們轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)體。當(dāng)一切就緒時(shí)，它們就成為一個(gè)電子回路的完美組成部分。

傳遞信息

在呼吸，光合作用和其他關(guān)鍵生物過程中，整個(gè)系統(tǒng)中的電子流動(dòng)是反應(yīng)的重要部分。由于沒有直接的分析方法，因此難以理解其復(fù)雜的內(nèi)部工作原理。在Lindsay團(tuán)隊(duì)的新研究中，單個(gè)蛋白質(zhì)分子的電子測(cè)量只需使用掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope）即可完成。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的第一種能成為電導(dǎo)體的蛋白質(zhì)是整合素，整合素能夠?qū)⒓?xì)胞的細(xì)胞骨架連接附著在細(xì)胞外基質(zhì)上。當(dāng)整合素參與識(shí)別一個(gè)小的多肽分子時(shí)，它就成為一種強(qiáng)電導(dǎo)體。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得該小組開始尋找其他能夠成為導(dǎo)體的蛋白質(zhì)。

研究人員專門在已知沒有參與電子轉(zhuǎn)移作用的蛋白質(zhì)中尋找研究目標(biāo)，他們選擇了六種蛋白質(zhì)進(jìn)行下一步研究。同樣的，當(dāng)電極連接到某個(gè)蛋白質(zhì)在天然水性環(huán)境中能結(jié)合的配體分子上時(shí)，這個(gè)蛋白質(zhì)就能作為成功的導(dǎo)體。

該團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)可以構(gòu)建兩個(gè)特定的接觸點(diǎn)時(shí)，蛋白的電導(dǎo)率最高——例如，用具有兩個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)的抗體，可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率最高。而當(dāng)將抗體切成兩半時(shí)，觀察到電導(dǎo)率顯著降低。

蛋白質(zhì)電子生命的下一步是什么？

研究當(dāng)然不會(huì)止步于此，因?yàn)檫@將有可能實(shí)現(xiàn)以高特異性檢測(cè)單個(gè)分子的新方法，以及將蛋白質(zhì)構(gòu)建為電路的組件。該技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)通過抗原結(jié)合位點(diǎn)——也就是抗原表位——以電信號(hào)來檢測(cè)抗體和抗原之間的結(jié)合。

理論上，當(dāng)電極連接到抗原表位上，如果存在單個(gè)抗體就應(yīng)當(dāng)能夠被電感應(yīng)到。該方法的一個(gè)好處是當(dāng)沒有抗體附著時(shí)，讀數(shù)將為零，不存在生化熒光測(cè)定中由于背景信號(hào)導(dǎo)致的錯(cuò)誤讀數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。

Lindsay現(xiàn)在正致力于利用這個(gè)知識(shí)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)：“一個(gè)蛋白結(jié)合位點(diǎn)就可以，但最好的回路是由兩個(gè)特定的蛋白結(jié)合位點(diǎn)組成的。一旦掌握了這些知識(shí)，就像告訴你如何使用一塊電子設(shè)計(jì)軟件來制作蛋白質(zhì)電路。”

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在希望開發(fā)基于芯片的技術(shù)版本。這可以通過連接到計(jì)算機(jī)來幫助推進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療領(lǐng)域，將從新方法收集的信息轉(zhuǎn)換成即時(shí)分析的結(jié)果。 “接下來的步驟實(shí)際上是制造一些基于蛋白質(zhì)的機(jī)器，這些機(jī)器將在醫(yī)學(xué)和分析化學(xué)中發(fā)揮非常有用的作用，”Lindsay總結(jié)道。 “這項(xiàng)技術(shù)非常強(qiáng)大。”