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上海交通大学自然科学研究院最新成果:在运用中子散射研究蛋白质动力学中取得新进展

2016年10月,上海交通大学物理与天文系&自然科学研究院洪亮 课题组及其美国橡树岭国家实验室的合作者在《Science Advances》(科学进展)上发表了运用相干中子散射,在原子尺度上表征生物蛋白质功能运动的创新方法。《Science Advances》作为《Science》子刊,旨在发表自然科学领域原创性和突破性的研究成果。洪亮 课题组运用这一方法成功揭示了药物小分子进入代谢酶细胞色素P450的微观过程,有助于相关药物分子的设计。

生命体绝大多数的功能过程都是通过蛋白质特定的三维运动来实现的,然而能同时给出这些运动的时空间信息的实验方法还不成熟。目前比较流行的方法是通过X-ray,neutron,电镜,NMR等等捕捉蛋白质在不同状态下的三维结构,然后推测这些结构之间的动态过程来描述蛋白质的功能运动。理论上,相干中子散射可以同时给出分子在时空间的动态信息,但蛋白质中含有大量氢原子,其强大非相干散射信号掩盖了人们关心的相干散射信号。洪亮 课题组及其合作者使用全氘化的样品,凸显相干散射信号。他们运用这一方法对重要的药物靶蛋白细胞色素P450进行了表征,发现此蛋白通过其内部三个局域特殊的扭转运动(图)来吞噬小分子。此实验不仅给出了细胞色素蛋白吞噬药物小分子可能的运动过程,还精确给出了这一运动的时空间尺度。这一方法在原子尺度上给出了蛋白质骨架运动的三维时空间信息,比当下流行的基于结构的推测方法更精准可靠。它可以广泛运用到各种蛋白质体系,帮助科研人员深刻了解作为生命载体的蛋白质分子其结构,动力学及功能的内在联系,从而对于药物研发,生物酶的设计等等都有积极意义。

此项目受到国家自然基金(11504231)的支持,洪亮 特别研究员是第一作者和通讯作者。

参考文献:Liang Hong, Nitin Jain, Xiaolin Cheng, Ane Bernal, Madhusudan Tyagi and Jeremy C. Smith, “Determination of functional collective motions in a protein at atomic resolution using coherent neutron scattering”, Science Advances, 10. e1600886,2016