細胞膜既是保護細胞的重要屏障，也是細胞與外界物質和信息交換的界面。空間總長度約為10納米的細胞膜（含突出于細胞膜外側的膜蛋白結構）可被視為準二維匯聚相體系。磷脂單層膜及鑲嵌于膜上的諸多蛋白質，整體上具有“多重界面復雜流體"的行為和特點。膜本身的二維流動性和三維起伏漲落為膜蛋白動力學的精密檢測導致嚴重干擾。膜蛋白動力學的實時精密檢測，仍然是膜生物化學領域的一個極具挑戰(zhàn)性的問題。為解決這一困局，中國科大學數(shù)學研究所SM4組近些年來發(fā)展了針對體外生物膜模型系統(tǒng)的單分子表面誘導螢光衰逝技術（SIFA）【Nat..7:12906,2016】和脂類體包裹螢光悠逝檢測技術（）【Angew.Chem.58:5577,2019】，分別實現(xiàn)了固體表面支撐的二維脂單層膜界面和三維脂類體單層膜界面上的生物大分子跨膜動力學的高精度觀測，可直觀詮釋跨膜肽以及膜蛋白等在垂直生物膜方向上的動態(tài)過程，并由此獲取了相關生物大分子在跨膜過程中的關鍵動力學信息，為在分子層面闡明生物膜界面跨膜輸運的動力學機理打下了重要基礎。上述“干凈”的數(shù)學模型系統(tǒng)，還不能有效應用于復雜的活細胞膜研究?；罴毎械纳锝缑骟w系組分更為復雜，蘊藏著愈發(fā)豐富且重要的生命過程。
近來細胞膜模型制作，中國科大學數(shù)學研究所/上海匯聚態(tài)化學國家研究中心軟物質化學實驗室的博士生侯文清、博士后馬東飛和賀小龍等在陸穎副研究員和李明研究員的指導下，先前序發(fā)展的高精度數(shù)學檢測方式為基礎，發(fā)展了專門針對活細胞膜界面膜蛋白動力學檢測的高精度方式，因而對其機理進行了深入研究。該方式命名為細胞外環(huán)境填充螢光受體的螢光共振能量轉移（FRETwithin,簡稱）。該技巧應用單點對多點的螢光分子間共振能量轉移（FRET）原理，通過檢測螢光標記分子的螢光硬度或螢光壽命，可精確觀察標記位點的插膜深度隨時間的變化。該方式以好于1納米（約等于細胞膜總長度的非常之一）的精度偵測細胞膜上單個膜蛋白的動力學。這是迄今為止測量活細胞膜單個蛋白沿膜法線方向運動的最高精度。應用這個方式，可以解決往年蛋白質與膜互相作用研究中的眾多挑戰(zhàn)性問題，包括膜蛋白的跨膜動力學、膜蛋白拓撲結構的動態(tài)轉變以及細胞訊號感知與響應等。
細胞膜結構非常復雜。細胞膜上生物大分子的動力學，有些是由它自身的特點和功能決定的，有些是由跟它互相作用的其他蛋白質決定的。三項技術聯(lián)用，可以解決這個二選一的困局。諸如，倘若是后者細胞膜模型制作，這么在活細胞膜上表現(xiàn)下來的動力學，亦可以在“干凈”的模型系統(tǒng)中觀察到。假如是前者，則只能在真實膜系統(tǒng)中觀察到。這時侯，研究人員可以通過在模型系統(tǒng)中融合潛在互相作用對象的方法，找出決定該蛋白動力學性質的其他生物大分子。以上系列檢測方式的最大優(yōu)勢是無需改變生命科學實驗室普遍采用的商業(yè)螢光顯微鏡的結構和運行模式，以便推廣。對膜上的生物大分子進行螢光標記后，針對不同的研究對象，可采取不同的觀察策略。既可以用全內反射螢光顯微鏡又可以用共聚焦螢光壽命顯微鏡對目標進行有效觀察：基于全內反射螢光顯微鏡可以觀察貼壁細胞；基于共聚焦螢光壽命顯微鏡可以觀察不能貼壁的漂浮細胞。
圖1.原理示意圖。螢光供體對細胞外填充螢光受體的能量轉移。
圖2.基于全內反射顯微鏡的細胞膜內外磷脂分子剖析。
圖3.基于共聚焦螢光壽命顯微鏡的細胞膜內外磷脂分子剖析。
相關研究成果以“-ofofinusingin”為題發(fā)表在Nano上。博士生侯文清，博士后馬東飛和賀小龍為共同第一作者。陸穎副研究員和李明研究員為共同通信作者。該工作得到了科技部重點研制計劃（）、國家自然科學基金委（，和）、中國科大學前沿項目（QYZDJ-SSW-和ZDBS-LY-）和中科院青促會等的支持。