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就像一个可以接收和发射无线电波的双向无线电一样，科学家设计了一种长5 nm的荧光纳米天线。它可以接收一种颜色的光，并根据所感知的蛋白质运动，以另一种颜色反射回来，最后被检测到。纳米天线的主要创新之一是天线的接收器部分（下图亮绿色），可通过感应分子间相互作用，来研究蛋白质的分子表面。
▲DNA纳米天线（图片来源：Caitlin Monney）
加拿大蒙特利尔大学Alexis Vallée-Bélisle教授研究团队将这一研究成果在线发表在《自然·方法》上。这种纳米天线提供了一种监测蛋白质构象变化的新方法，有助于更好地理解自然的和人类设计的纳米技术。
40 多年前，科学家发明了第一台 DNA 合成器来制造编码遗传信息的分子。近年来，化学家们已经意识到，DNA也可以用于构建各种纳米结构和纳米机器。
Vallée-Bélisle教授说：“受乐高启发，我们想到DNA同样易于建造任意结构，于是我们用只有人类头发直径2万分之一的构件，创造了一种基于DNA的荧光纳米天线，它可以帮助表征蛋白质的功能。”
了解蛋白质结构动力学和功能之间的关系对于基础研究和生物技术都至关重要。然而，研究蛋白质瞬态仍然是一项重大挑战，因为现有的测定结构的高分辨率技术，包括核磁共振和 X 射线晶体学，通常不能直接用来研究短寿命的蛋白质状态。
目前，其他检测技术只能监测到较大的构象，或者需要复杂的化学设计。如果想要检测到某些蛋白质在发挥酶催化等功能过程中发生的微小构象变化，则需要设计一种更为敏感的策略。
这次，研究团队利用非共价染料-蛋白质相互作用，成功设计出这样一种称为荧光纳米天线的多功能工具。
在这项研究中，研究人员选择牛小肠碱性磷酸酶（AP）作为模型蛋白，来验证纳米天线是否可以检测蛋白质活性。
AP在预防炎症、促进共生微生物群的生长、调节pH值、激活前药和基础生物物理学研究方面具有重要作用。研究AP的功能通常需要合成底物来提供信号，然而AP的生物分子底物，例如三磷酸核苷酸在光谱上是沉默的，对于生物分子尚无合适的实时分析方法。
▲荧光纳米天线示意图（图片来源：参考资料[1]）
在分子设计上，研究人员通过高度程序化的亚磷酰胺化学方法，合成了由DNA和聚乙二醇（PEG）组成的纳米天线。它一端含有荧光染料，例如荧光素（FAM），另一端含有生物素（上图，Start）。
首先，生物素和链霉亲和素（SA）通过非共价相互作用，使得纳米天线能够快速连接到生物素标记的蛋白质上，这时可以观察到FAM 荧光减少或猝灭（Step 1）。
接下来，研究团队添加模型蛋白：生物素化的小牛肠碱性磷酸酶（bAP）。FAM从SA中释放，导致荧光信号增强（Step 2）。
最后，在添加AP底物后，纳米天线会产生瞬态荧光“尖峰”，这种独特的信号能够实时体现酶与底物结合的瞬时状态（Step 3）。
此外，研究人员发现，利用DNA化学相对简单且程序化的优势，可通过调整连接臂的长度和选择不同的染料分子，得到具有理想性能的纳米天线。纳米天线可用于表征酶的动力学机制，可检测并描述肠道碱性磷酸酶的五个不同构象状态。
研究人员还用另一种模型蛋白（G蛋白）及其与抗体的相互作用探讨了纳米天线策略的普遍性，并展示了一种寻找高效的纳米天线的快速筛选方法。
▲快速筛选G蛋白纳米天线的策略 （图片来源：参考资料[1]）
在这项研究中，作者利用纳米天线，首次实时检测到碱性磷酸酶与一系列生物分子和药物的相互作用。纳米天线可帮助我们了解我们身体中天然的纳米机器是如何发挥作用，或发生故障从而导致疾病的。更重要的是，这种新方法还可以帮助科学家发现有前途的新药，并指导纳米工程师开发纳米机器。
目前，研究团队正致力于成立一家初创公司，将这种技术商业化，给科研人员和制药行业提供服务。
让团队最兴奋的是纳米天线的易用性。就像世界各地很多实验室都使用传统的荧光分光光度计，他们希望有朝一日可以很方便地使用这些纳米天线来研究他们最喜欢的蛋白质，去开发新药和新的纳米技术。
参考资料
[1] Scott G. Harroun et al., (2022) Monitoring protein conformational changes using fluorescent nanoantennas. Nature Methods. Doi:10.1038/s41592-021-01355-5
[2] Chemists use DNA to build the world’s tiniest antenna. Retrieved Jan. 11, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939627
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