线扫描高速原子力显微镜在打开灯时以毫秒时间分辨率测量细菌视紫红质蛋白的“发射”。影片底部的条指示灯熄灭（黑色）和灯亮（绿色）。图片由 Simon Scheuring 博士和 Alma Perez Perrino 博士提供。

Weill Cornell Medicine 的研究人员使用一种创新的新显微成像技术，以前所未有的细节和速度揭示了一系列光敏分子的内部工作原理。这项工作可以为新兴的光遗传学领域提供新的策略，该领域使用光脉冲来改变单个神经元和其他细胞的活动。

光敏蛋白驱动生物学中的许多关键过程，从光合作用到视觉。科学界对这些蛋白质的大部分理解来自对细菌视紫红质的研究，细菌视紫红质是一种在某些单细胞生物中负责光合作用的蛋白质。研究人员此前已经解决了细菌视紫红质的三维结构并详细研究了其活性，但现有技术的局限性在所得模型中留下了令人费解的空白。

发表在《自然通讯》杂志上的这项新研究描述了研究人员开发的一种称为线扫描高速原子力显微镜的技术，该技术在毫秒时间尺度上捕捉细菌视紫红质对光的反应。

YPG-1B型金相试样抛光机

“蛋白质结构的解决方案变得非常简单，”威尔康奈尔医学院麻醉学生理学和生物物理学教授、资深作者西蒙·舒林博士说。“但当前的挑战是评估动力学，这提供了对系统的动态理解。”

特别是，其他追踪单个分子活性的方法运行速度太慢，无法揭示蛋白质如何在短时间内改变形状，就像细菌视紫红质似乎对光做出反应一样。Scheuring 博士将这些技术比作具有慢速快门的电影摄影机，它可能会在屏幕的一侧捕捉快速移动的鸟，然后在另一侧捕捉，但无法在这两点之间追踪它。

新发现： 晶体光学基础之光与固体物质的相互作用

此前，研究人员已经通过限制鸟类来解决这个问题：观察细菌视紫红质的变异形式。“到目前为止，为了研究细菌视紫红质的动力学，人们一直在使用速度较慢的突变体，”主要作者、Scheuring 博士实验室的博士后研究员 Alma Perez Perrino 博士说。不过，较慢的变体并不代表蛋白质的正常活性。为了解决这个问题，Perez Perrino 博士和她的同事开发了线扫描高速原子力显微镜，它牺牲了一些图像细节以获得更快的帧速率，例如拍摄更模糊的鸟类图像以便一直跟随它屏幕。

“我们每 1.6 毫秒跟踪一次蛋白质，因此我们可以探索野生型细菌视紫红质的速度，”Perez Perrino 博士说。

响应光，细菌视紫红质在打开和关闭状态之间切换。使用他们更快的成像技术，研究人员发现，向开放状态的转变和开放状态的持续时间总是以相同的速度发生，但随着光强度的降低，分子会在更长的时间内保持闭合状态。

光遗传学研究人员将光敏分子基因插入神经元或其他细胞中，使它们能够通过光脉冲改变细胞的行为。这项工作彻底改变了神经科学，并具有治疗神经系统疾病的潜力。研究人员对光敏蛋白了解得越多，他们就越能推动光遗传学。“最终，您希望启动一个过程，然后充分利用它，并能够立即再次关闭它，”Scheuring 博士说。“因此，了解用于这种转换的分子动力学非常重要。”

参考文献：

Alma P. Perrino、Atsushi Miyagi 和 Simon Scheuring 撰写的“HS-AFM 对细菌视紫红质的单分子动力学”，2021 年 12 月 10 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-021-27580-2

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