In spite of their great importance in biology, methods providing access to spontaneous molecular interactions with and on biological membranes have been sparse. So far, it has been consensus that their observation with sufficient sensitivity and time resolution requires the introduction of - predominantly fluorescent - labels to the system. However, the recent advent of mass photometry to quantify mass distributions of unlabelled biomolecules landing on surfaces raised hopes that this approach could be transferred to membranes. Here, we introduce mass-sensitive particle tracking (MSPT), enabling simultaneous label-free tracking and monitoring of molecular masses of single biomolecules diffusing on lipid membranes. We applied this approach to the highly non-linear reaction cycles underlying MinDE protein self-organisation. MSPT allowed us to determine the stoichiometry and turnover of individual membrane-bound MinD/MinDE protein complexes and to quantify their size-dependent diffusion. We found that MinD assembles into complexes larger than the commonly postulated dimer, through lateral interactions of membrane-bound complexes and subunit recruitment from solution. Furthermore, the ATPase-activating protein MinE interconnects MinD into high-molecular-weight heteromeric complexes and affects their subunit turnover and concerted membrane release. This study demonstrates the potential of MSPT to enhance our quantitative understanding of both prokaryotic and eukaryotic membrane-associated biological systems.

中文翻译：

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用于阐明膜相关 MinDE 反应循环的质量敏感粒子追踪 (MSPT)

尽管它们在生物学中非常重要，但提供与生物膜和生物膜上的自发分子相互作用的方法很少。到目前为止，人们一致认为，他们以足够的灵敏度和时间分辨率进行观察需要将 - 主要是荧光 - 标记引入系统。然而，最近出现的用于量化落在表面上的未标记生物分子的质量分布的质量光度计的出现带来了这种方法可以转移到膜上的希望。在这里，我们引入了质量敏感粒子跟踪 (MSPT)，能够同时进行无标记跟踪和监测在脂质膜上扩散的单个生物分子的分子质量。我们将这种方法应用于 MinDE 蛋白质自组织的高度非线性反应循环。MSPT 使我们能够确定单个膜结合 MinD/MinDE 蛋白质复合物的化学计量和周转率，并量化它们的大小依赖性扩散。我们发现，通过膜结合复合物的横向相互作用和从溶液中募集亚基，MinD 组装成比通常假定的二聚体更大的复合物。此外，ATPase 激活蛋白 MinE 将 MinD 连接成高分子量的异聚体复合物，并影响它们的亚基周转和协同的膜释放。这项研究证明了 MSPT 的潜力，以增强我们对原核和真核膜相关生物系统的定量理解。我们发现，通过膜结合复合物的横向相互作用和从溶液中募集亚基，MinD 组装成比通常假定的二聚体更大的复合物。此外，ATPase 激活蛋白 MinE 将 MinD 连接成高分子量的异聚体复合物，并影响它们的亚基周转和协同的膜释放。这项研究证明了 MSPT 的潜力，以增强我们对原核和真核膜相关生物系统的定量理解。我们发现，通过膜结合复合物的横向相互作用和从溶液中募集亚基，MinD 组装成比通常假定的二聚体更大的复合物。此外，ATPase 激活蛋白 MinE 将 MinD 连接成高分子量的异聚体复合物，并影响它们的亚基周转和协同的膜释放。这项研究证明了 MSPT 的潜力，以增强我们对原核和真核膜相关生物系统的定量理解。ATPase 激活蛋白 MinE 将 MinD 连接成高分子量的异聚复合物，并影响它们的亚基周转和协同的膜释放。这项研究证明了 MSPT 的潜力，以增强我们对原核和真核膜相关生物系统的定量理解。ATPase 激活蛋白 MinE 将 MinD 连接成高分子量的异聚复合物，并影响它们的亚基周转和协同的膜释放。这项研究证明了 MSPT 的潜力，以增强我们对原核和真核膜相关生物系统的定量理解。