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同时测量单蛋白分子的大小和电荷

注:文末有本文科研思路分析


电泳和蛋白质印迹是蛋白质分离和鉴定的主要技术之一。电泳利用了不同蛋白质分子之间大小和带电量的差异,达到将不同种类蛋白分离的目的。蛋白质印迹则是在蛋白分离后,用抗体特异性结合的原理,鉴别出对应蛋白的种类。这些步骤都需要一定量的蛋白样品,否则含量过低的蛋白将难以分离和检测。如果能把灵敏度提高到单分子水平,那么这些问题或将得以解决。


受到这些传统的蛋白检测原理的启发,亚利桑那州立大学生物设计研究所生物电子和传感器中心的王少鹏(Shaopeng Wang)团队开发了一种单分子蛋白分析方法,该方法通过分析电场对单分子的作用,可同时测量出单蛋白的大小和电量。首先,利用链状的PEG分子将单蛋白分子连接在表面,再在垂直方向施加一个交流电场,由于蛋白在溶液中带电,蛋白会随着电场振动。将振动的蛋白放置于渐逝场中,可以通过测量蛋白对渐逝场的散射光强度,来精确的测量蛋白的振动情况,其精度可达到纳米级。蛋白的大小与散射光强度相关,带电量与电场和振幅相关,通过测量这些参数,就能算出同一个蛋白分子的大小和电量。

图1. 单蛋白振动成像。左:单蛋白分子由PEG链接在ITO表面,受一个垂直于表面的电场驱动而振动。右:四个IgG单蛋白分子在渐逝场中的散射图像。图片来源:Nat. Commun.


在蛋白分子振动过程中,如果有其他分子或离子与该蛋白分子结合,那么该蛋白分子的大小和电量也会发生变化,导致振动发生变化。所以通过对蛋白振动的实时监测,可以测量该蛋白与其他分子或离子的相互作用。比如测量抗体和单蛋白的特异性结合,可以鉴定单蛋白的种类。此外,不同种类的蛋白也可通过测量单分子的大小和电量进行区分,呈现与传统双向电泳类似的结果。

图2. IgG 与 IgG抗体结合前后分子直径(左)和电荷(中)变化。不同蛋白单分子通过直径和电量得以区分(右)。图片来源:Nat. Commun.


这一成果近期发表在Nature Communications 上,文章的第一作者是马光中(Guangzhong Ma)。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Optical imaging of single-protein size, charge, mobility, and binding

Guangzhong Ma, Zijian Wan, Yunze Yang, Pengfei Zhang, Shaopeng Wang, Nongjian Tao

Nat. Commun., 2020, 11, 4768. DOI: 10.1038/s41467-020-18547-w


亚利桑那州立大学生物设计研究所生物电子和传感器中心

https://biodesign.asu.edu/bioelectronics-and-biosensors

王少鹏

https://biodesign.asu.edu/shaopeng-wang


科研思路分析


振动纳米粒子的想法最先由陶农建(Nongjian Tao)教授提出。第一个概念验证实验是使用表面等离子体共振(SPR)成像测量表面附近的自由粒子的电荷和高度。粒子高度可以通过SPR中的渐逝场精确探测,但是电荷的测量会被粒子布朗运动影响。粒子尺寸越小,布朗运动越强,电荷测量就越困难。这个问题后来通过将粒子链接在表面解决。为了进一步降低噪声,我们施加周期性电场来驱动粒子,并使用快速傅立叶变换(FFT)提取信号。这些改进使我们的测量精度达到小于单位电荷水平。


随着测量精度的提升,我们决定尝试单蛋白。我们首先用SPR观测表面蛋白的振动,但发现在金片表面施加电场时产生的充放电信号远大于蛋白振动信号。于是我们对加电条件进行优化,并最终放弃SPR和金片,改用充放电信号更小的ITO。在观测到蛋白振动信号后,很难确定是不是单蛋白,为此我们进行了许多对照实验:校准,SEM,AFM,抗体检测……并最终确信信号来自单蛋白分子。


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