蛋白质折叠成三维结构的时间可能不足1微秒。图片来源：Christoph Burgstedt/SPL

本报讯 科学家首次直接测量了单个蛋白质折叠所需的时间，令人惊讶的是，蛋白质的序列或大小与折叠成三维结构的时间并无关联。尽管蛋白质的成分更复杂，但它的折叠效率似乎比DNA等其他生物分子更高。相关研究成果3月9日发表于《物理评论快报》。

蛋白质的功能与复杂的三维结构密切相关。例如，部分蛋白质有特定的凹陷或凸起，从而能够锁定细胞受体传递的信号。美国国家糖尿病、消化道和肾脏疾病研究所的Hoi Sung Chung表示，无论最终的结构多么复杂，蛋白质最初都是一串氨基酸，“就像一根长长的意大利面”，可以用多种方式折叠。蛋白质折叠不当或不完全，可能导致功能异常、疾病或中毒，因此科学家希望了解折叠过程的具体细节。

在一个烧杯中悬浮的相同蛋白质分子最终形成三维结构的时间并不相同，且每个分子在折叠过程中都会经历多次失败。科学家已大致掌握包括这些失败在内的整个折叠过程需要多少时间，但目前几乎不可能测量折叠行为本身持续的时间——这段冲刺被称为过渡路径时间。

这个过渡期极为短暂，必须在单个分子中进行研究。科学家迄今只能通过人工放慢折叠速度，或观察折叠速度较慢的异常蛋白质，窥见折叠过程。

在这项研究中，Chung团队通过提高单分子荧光光谱法的时间分辨率，直接捕捉到这一过渡期。借助该技术，他们可以通过测量染料标记分子的荧光评估其动力学。

研究人员在氨基酸链的一端连接了红色染料分子，另一端连接了绿色染料分子。这种绿色染料可自行发光，而红色染料只有在接收到绿色染料的能量后才能被激活。在氨基酸链折叠前，只能观测到绿色染料的荧光；当开始折叠时，两种染料分子被拉近，使能量从绿色分子传递至红色分子，后者随即开始发光。但这种荧光信号太微弱，难以检测，于是他们使用了一种带有纳米级微孔阵列的光导装置，放大了染料信号，进而成功观测到8种蛋白质的折叠瞬间。

“这是近年来该领域最重大的进展之一。”美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Dmitrii Makarov说。为观察蛋白质的折叠行为，科学家必须探测到相对少量的光子，这是一项技术壮举。“真正令人赞叹的是，他们并非只对一种蛋白质完成了观测，而是8种，这让我们能够提出更有价值的问题。”

研究发现，这些蛋白质最短的过渡路径时间不足1微秒，最长的约为4微秒。折叠速度与蛋白质的大小、长度、序列或折叠结构无关，而与折叠蛋白质中氨基酸之间相互作用的数量相关。这类相互作用越多，蛋白质的折叠效率就越高。Makarov表示，此前的理论模型已对此做出了预测，如今这一结论得到实验验证，令人振奋。

Chung指出，研究表明，蛋白质折叠行为的完成速度比DNA等其他生物分子快。DNA仅由4种名为碱基的基本单元构成，且每种碱基在最终结构中只能与另一种碱基结合；相比之下，蛋白质由22种氨基酸构成，而且可能发生更多的相互作用。他推测，自然选择的结果让蛋白质的折叠速度变得更快。（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/2q9m-4scc