生物膜是生命系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)物質(zhì)運(yùn)輸，信號傳遞和能量轉(zhuǎn)換等重要作用。膜蛋白和磷脂膜的相互作用一直是及其重要的課題。高時間分辨率研究不僅深化對生物膜功能的分子機(jī)制理解，還為疾病治療應(yīng)用提供重要指導(dǎo)。膜蛋白于磷脂膜相互作用的高分辨率實(shí)時測量，一直是一個重要又極具挑戰(zhàn)性的問題。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室SM4組多年來致力于研究膜蛋白于磷脂膜的相互作用，發(fā)展了一系列實(shí)時觀測膜上蛋白動態(tài)的技術(shù)，包括適用平面膜的表面誘導(dǎo)熒光衰逝（SIFA）技術(shù)（Nat. Commun. 7: 12906,2016），適用囊泡系統(tǒng)的脂質(zhì)體包裹淬滅劑（LipoFRET）技術(shù)等，并在膜蛋白與磷脂膜的相互作用機(jī)制的研究方面取得了系列成果。

近日，他們開發(fā)了一種逐光子的變分貝葉斯隱馬爾可夫模型，首次實(shí)現(xiàn)對單個蛋白質(zhì)在磷脂膜內(nèi)亞毫秒級狀態(tài)躍遷的實(shí)時追蹤。該方法通過優(yōu)化熒光壽命分析算法，僅需數(shù)十個光子即可準(zhǔn)確判定分子狀態(tài)，將膜上分子動態(tài)探測的時間分辨率提升至1毫秒以內(nèi)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)顯微鏡技術(shù)（>10毫秒）的極限。該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)研究抗菌肽LL-37在脂質(zhì)膜中的非平衡動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)不飽和鍵的直接作用機(jī)制，證明不飽和鍵密度直接參與肽-膜相互作用，而非僅調(diào)節(jié)流動性。該方法可拓展至FRET、PIFE等多種熒光技術(shù)，為研究蛋白折疊、DNA修復(fù)等亞毫秒過程提供新工具。

圖. LL-37的非平衡態(tài)膜插膜動力學(xué)。(a) DOPC/DOPA磷脂膜上LL-37的逐光子信號及由此推導(dǎo)的壽命軌跡。壽命變化反映肽在膜內(nèi)的位置遷移。(b) 膜插入過程機(jī)制示意圖。LL-37 N端在雙鍵附近形成瞬態(tài)中間態(tài)，逐步插入疏水核心。(c) POPC/POPA膜中的爆發(fā)信號與壽命軌跡。與DOPC/DOPA相比，飽和度更高的?；湆?dǎo)致瞬態(tài)駐留時間降低。(d) LL-37在不同磷脂膜中的躍遷速率對比。

該工作以“Photon-by-Photon Fluorescence Lifetime Analysis of Within-Burst State Transitions of Single Proteins in Lipid Membranes”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 【2025，147，28552-28557】。物理研究所博士生王浩和博士后付航為共同第一作者，中科院物理所軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室李明研究員和陸穎研究員為本文的共同通訊作者。此工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0709304）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB0480000）、中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（YSBR-104）、國家自然科學(xué)基金（T2221001、32171228、32471278）、以及中國博士后科學(xué)基金（2024M763506）的支持。

編輯：阿白