超分辨率荧光显微镜的重大进展

由海德堡马克斯普朗克医学研究所的诺贝尔奖获得者 Stefan Hell 领导的科学家们开发出一种超分辨率显微镜，其时空精度为每毫秒一纳米。他们最近推出的 MINFLUX 超分辨率显微镜的改进版本允许以前所未有的细节水平观察单个蛋白质的微小运动：运动蛋白驱动蛋白-1 在消耗 ATP 的同时沿着微管行走时的步进运动。这项工作突出了 MINFLUX 作为观察蛋白质纳米级构象变化的革命性新工具的强大功能。

揭示细胞的内部运作需要了解单个蛋白质的生物化学知识。测量它们位置和形状的微小变化是这里的核心挑战。荧光显微镜，特别是超分辨率显微镜(即纳米显微镜)已成为这个新兴领域不可或缺的一部分。MINFLUX，最近推出的荧光纳米系统，已经达到一到几纳米的空间分辨率：小有机分子的大小。但是，将我们对分子细胞生理学的理解提升到一个新的水平需要以更高的时空分辨率进行观察。

当 Stefan Hell 的团队在 2016 年首次展示 MINFLUX 时，它已被用于追踪细胞中荧光标记的蛋白质。然而，这些运动是随机的，并且跟踪具有几十纳米量级的精度。他们的研究首次将 MINFLUX 的分辨能力应用于蛋白质的构象变化，特别是运动蛋白 kinesin-1。为此，马克斯普朗克医学研究所的研究人员开发了一种新的 MINFLUX 版本，用于跟踪单个荧光分子。

所有已建立的蛋白质动力学测量方法都有严重的局限性，阻碍了它们解决至关重要的(亚)纳米/(亚)毫秒范围的能力。有些提供高空间分辨率，低至几纳米，但不能足够快地跟踪变化。其他的具有高时间分辨率，但需要用比所研究的蛋白质大 2 到 3 个数量级的珠子进行标记。由于这种大小的珠子可能会损害蛋白质的功能，因此使用珠子进行的研究留下了悬而未决的问题。

来自单分子的荧光

然而，MINFLUX 只需要一个标准的 1 nm 大小的荧光分子作为附着在蛋白质上的标签，因此可以提供研究天然蛋白质动力学所需的分辨率和最小侵入性。该小组的博士生 Otto Wolff 说：“一个挑战在于构建一个工作接近理论极限并且不受环境噪音影响的 MINFLUX 显微镜。” “设计不影响蛋白质功能但仍能揭示生物学机制的探针是另一回事”，他的同事 Lukas Scheiderer 补充道。

研究人员现在推出的 MINFLUX 显微镜可以以高达每毫秒 1.7 纳米的时空精度记录蛋白质运动。它只需要检测荧光分子发出的大约 20 个光子。Stefan Hell 说：“我认为我们正在研究单个蛋白质的动力学以及它们在功能过程中如何改变形状的新篇章。” “MINFLUX 提供的高空间和时间分辨率的结合将使研究人员能够以前所未有的方式研究生物分子。”

在生理条件下用 ATP 解析 kinesin-1 的步进运动

Kinesin-1 是在我们的细胞内运输货物的关键参与者，该蛋白质的突变是多种疾病的核心。Kinesin-1 实际上沿着像街道网络一样横跨我们细胞的细丝(微管)“行走”。人们可以将这种运动想象成字面上的“步进”，因为蛋白质有两个“头”，它们交替改变它们在微管上的位置。这种运动通常沿着形成微管的 13 根原丝之一发生，并由细胞主要能量供应商 ATP(三磷酸腺苷)的分裂提供燃料。

科学家仅使用单个荧光团标记驱动蛋白 1，记录了常规的 16 nm。单个头的步骤以及 8 nm 子步骤，具有纳米/毫秒时空分辨率。他们的结果证明，当一个头与微管结合时，ATP 被吸收，但当两个头都结合时，ATP 水解发生。它还揭示了步进涉及蛋白质“茎”的旋转，这是驱动蛋白分子中承载货物的部分。MINFLUX 的时空分辨率还揭示了在每一步的初始阶段头部的旋转。值得注意的是，这些发现是使用生理浓度的 ATP 得出的​​，而迄今为止用微小的荧光标记是不可能的。

探索蛋白质动力学的未来潜力

“我很兴奋，所以看看 MINFLUX 将带我们走向何方。它为蛋白质如何工作的研究增加了另一个维度。这可以帮助我们了解许多疾病背后的机制，并最终促进疗法的发展”，杰西卡·马蒂亚斯 (Jessica Matthias) 补充道，她以前是 Hell 小组的博士后科学家，现在正在探索 MINFLUX 在各种生物学问题中的应用。

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