一个制备荧光标记蛋白并模拟其天然环境的平台

 
使用无洗涤剂的方法，生物学家可以制备带有荧光标记的蛋白质以及相关细胞膜的一小部分，从而保护蛋白质的天然环境。图片来源：Jean-Marie Swiecicki所有细胞都具有包裹其内部组件的脂质膜，从而形成了一种控制性屏障，可控制进入和滞留的物质。嵌入这些膜的蛋白质对于生命至关重要。它们有助于促进营养物的运输，能量转换和存储以及细胞通讯。它们在人类疾病中也很重要，约占批准的药物靶标的60%。为了在细胞复杂性之外研究这些膜蛋白，研究人员必须使用去污剂剥离膜并提取它们。但是，为每种蛋白质确定最佳去污剂可能会涉及大量的反复试验。并且，从其自然环境中去除蛋白质可能会破坏折叠结构的稳定性并破坏其功能。
在12月9日发表于《细胞化学生物学》上的一项研究中，麻省理工学院的科学家设计了一种快速，通用的方法来提取，纯化和标记膜蛋白以进行成像而根本不需要任何去污剂-沿周围膜的一部分进行保护蛋白质并模拟其自然环境。他们的方法以一种新的方式结合了行之有效的化学和生化技术，可以有效地分离蛋白质，从而可以对其进行荧光标记并在显微镜下进行检查。
“我总是开玩笑说，研究肥皂中的蛋白质不是很逼真的，”生物学和化学教授芭芭拉·帝国·伊曼蒂里(Barbara Imperiali)说。 “我们创建了一个工作流程，可以在保持膜蛋白天然身份和相互作用的同时对膜蛋白进行成像。鉴于膜蛋白在许多生理过程中的重要性，希望现在减少对膜蛋白研究的人们。”
作为帝国实验室的成员，前博士后和主要作者让·马里·斯威西基(Jean-Marie Swiecicki)研究了食源性空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)的膜蛋白。在这项研究中，Swiecicki专注于PglC和PglA，这两种膜蛋白在使细菌感染人类细胞中发挥作用。他的实验需要用荧光标签标记PglC和PglA，以便对其进行跟踪。但是，他对现有方法并不满意。
在某些情况下，必须整合到蛋白质中以使其可视化的荧光标签太大，无法放置在定义的位置。在其他情况下，这些标签不能发出足够明亮的光，或干扰蛋白质的结构和功能。
为了避免此类问题，Swiecicki决定使用一种称为“非天然氨基酸诱变”的方法。氨基酸是组成蛋白质的单位，非天然氨基酸诱变涉及在蛋白质序列中添加一个包含工程化学基团的新氨基酸。然后可以用明亮的发光标签标记该化学基团。
Swiecicki将空肠弯曲杆菌膜蛋白的遗传密码插入到另一种细菌大肠杆菌中。在大肠杆菌内部，他可以掺入非天然氨基酸，可以对其进行化学修饰以添加荧光标记。
当需要从膜上去除蛋白质时，他用另一种物质代替了去污剂：一种苯乙烯-马来酸(SMA)的聚合物。与洗涤剂不同，SMA将提取的蛋白质和相关膜的一小部分包裹在保护壳中，以保持其天然环境。 Imperiali解释说：“这就像一条围巾，可以保护您的脖子免受寒冷。”
然后，Swiecicki可以在显微镜下监控发光的蛋白质，以证明他的技术具有足够的选择性来分离单个膜蛋白。他说，整个过程仅需几天，而且通常比基于洗涤剂的提取方法要更快，更可靠，后者可能要花费数月的时间，并且需要训练有素的生物化学家的才能进行优化。
他说：“我不会说这对每一种蛋白质都有效。” “但这是一个高效的工具，可以使研究许多不同种类的膜蛋白变得更加容易。”他说，最终，它甚至可能有助于促进高通量药物筛选。
哈佛医学院医学院微生物学教授苏珊娜·沃克说：“作为从事膜蛋白复合物研究的人，我可以证明他们迫切需要更好的方法来研究它们。”她希望将本文概述的方法扩展到她在自己的实验室中研究的蛋白质复合物。她补充说：“我很欣赏本文中包含的有关如何成功应用该策略的详尽细节。”
下一步将在哺乳动物蛋白质上测试该技术，并在SMA外壳中一次分离出多种蛋白质以进行观察。