2021年12月16日，《自然·化学生物》期刊以“Stepwise membrane binding of extended synaptotagmins revealed by optical tweezers”为题，发表了我校光学与电子科技学院教师李旸晖副教授参与的研究成果。文章应用光镊研究了延长的突出结合蛋白（E-Syts）与质膜（PM）的结合过程。我校教师李旸晖副教授为该文章的共同第一作者。

图1 文章首页

2018年，阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)因发现光的动量可以被用作一套极其灵敏的“镊子”而获得诺贝尔物理学奖。如图2所示，足够强的光线通过高度聚焦可以将塑料小球等物体固定在适当的位置，这些小球可以做上表面修饰以粘附在蛋白质、细胞骨架细丝、DNA、RNA等各种生物分子上。使用光镊捕获两个小球作为钩子，将一个单分子夹在中间。通过控制激光来移动小球以及小球中间的样品，监控小球的位置并测量力的值，从而计算出样品分子的机械特性，例如其弹性，并诱导和研究结构转变。很多生物大分子的功能与其构象和构象动力学密切相关，如蛋白质的生物功能需要其折叠成自然形态。研究蛋白质如何正确折叠改变构象以实现生物功能，对理解疾病发生至关重要，目前利用高分辨率双光镊技术检测蛋白质折叠、去折叠和构象动力学已成为单分子水平上力谱研究较为火热的技术。

图 2 光镊工作示意图

E-Syts涉及到一系列相互关联的细胞功能，包括钙和受体信号传导以及膜脂转运。文章基于高分辨率光镊的新方法对人类E-Syt1、E-Syt2的胞质部分的膜相互作用进行了综合分析。实验中将E-Syt1和E-Syt2的含C2域，即E-Syt1 C2ABCDE或E-Syt2 C2ABC一端系链到表面修饰过双层的硅小球，另一端通过2260个碱基对的双链DNA系链到聚苯乙烯小球上，两个小球用双光镊分别捕获用于检测拉力和伸长蛋白质-DNA。

图 3   利用光镊拉动单个E-Syt1 C2ABCD域的实验示意图

图4(a)为以10纳米每秒的速率改变两个光势阱的距离，将力的变化施加在蛋白片段上的结果。FEC在低力下（<12 pN，红色和绿色箭头）表现出至少两次伸展跳跃和高达五次的强力跳跃（> 12 pN，蓝色箭头）,其中低力跳跃是膜相关的。这些跳跃可能是由于不同C2结构域从脂质双层逐步打开所致，揭示了C2结构域结合PM并调节ER与PM距离的过程。

图4   (a)光镊测得的存在或不存在脂质双层时拉动单个C2重复序列获得的距离与力的关系(FEC)；(b)与图(a)对应的不同的C2结合状态的示意图。