奈米孔技術在單分子層面顯示伴侶蛋白的轉運機制

蛋白質控制著人體的大部分功能，它們的功能障礙可能會產生嚴重的後果，例如神經退化性疾病或癌症。因此，細胞具有控制蛋白質品質的機制。

在動物和，Hsp70 類分子伴侶是此控制系統的核心，監督廣泛的生物過程。然而，儘管 Hsp70 分子伴侶發揮著至關重要的作用，但幾十年來，其精確的分子機制仍然難以捉摸。

使用尖端奈米孔日內瓦大學 (UNIGE) 的一個團隊與 EPFL 合作，在確定 Hsp70 伴侶如何產生操縱其客戶蛋白結構所需的力量方面取得了重大突破。這些結果結束了長達十年的爭論發表在自然通訊。

蛋白質需要折疊成特定的三維形狀才能正常發揮作用。在其多種作用中，Hsp70 等伴侶蛋白通常有助於蛋白質的正確摺疊。為了成功執行這些任務，Hsp70 需要強力操縱蛋白質的結構，從自發性形成的聚集體中提取它們，或透過促進蛋白質易位到關鍵的細胞區室（例如粒線體）。

在此背景下，在 20 世紀 90 年代和 2000 年代初期，關於 Hsp70 分子伴侶驅動蛋白質易位的機制存在激烈的爭論，基於不同的實驗組提出了兩種主要模型，但沒有明確的答案。

2006年，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Paolo De Los Rios教授和洛桑大學（UNIL）的Pierre Goloubinoff教授及其合作者提出了一種名為熵拉（Entropic Pulling）的新理論。熵拉可以解釋所有現有的蛋白質易位到粒線體的觀察結果，也可以應用於 Hsp70 的其他細胞功能，例如蛋白質解聚。

實驗證據

多年來，這一理論已經可以解釋越來越多的結果，但仍未得到直接的實驗證實。

UNIGE理學院無機與分析化學系新任助理教授曹燦的團隊專門研究單分子生物分析，特別是奈米孔檢測。這種創新方法涉及讀取通過奈米級孔的單一分子的離子電流響應，該孔可以是嵌入脂質膜中的生物蛋白質組件，也可以是製造的固態材料。

奈米孔技術的發展旨在創建高分辨率感測器，用於檢測複雜基質中的目標分子並對生物聚合物進行測序。

在最近的工作中，該團隊利用奈米孔技術在單分子層級模擬蛋白質易位的體內設定。 Chan Cao教授解釋說：“我們的結果為Hsp70伴侶的熵拉機制提供了明確的證據，排除了先前提出的另外兩種模型，即動力衝程和布朗棘輪模型。”

分子層面的強大力量

在熵拉機制中，伴侶透過拉動目標蛋白質來增加其運動範圍，產生所謂的熵力。維雷娜‧魯克斯博士學生兼該研究的主要作者解釋說：“我們的分析估計，在 1 nm 的距離內，熵拉力的強度約為 46 pN，這表明分子水平上存在非常強大的力。”

洛桑聯邦理工學院物理研究所和生物工程研究所的Paolo De Los Rios 教授表示：「我們在2006 年提出的理論解釋了由Hsp70、易位蛋白和易位孔組成的系統的大部分物理原理，但最終，它仍然是一種理論，即使與大多數觀察結果間接一致。

「感謝 Chan Cao 教授和她的團隊的出色工作，我們現在有了直接的證據，最重要的是，對其強度進行了定量估計，結果證明強度非常高，進一步解釋了為什麼 Hsp70 如此重要能夠有效改變目標蛋白的結構。

重要的是，這項研究將奈米孔方法確立為一種強大的單分子技術，用於探索蛋白質作用的分子機制。