| 《PNAS》核酶研究为单分子生物传感器诞生奠定基础 |
| 发布人：管理员 发布时间：2009年8月21日 |
密西根大学的研究人员Nils Walter说，致力于了解核酶（ribozyme）工作过程的研究，最终将有助于产生监控脂肪代谢的方法，甚至将可能参与到寻找火星生命迹象的研究中。
核酶（Ribozyme）是80年代初期发现的具有催化功能的RNA分子。它具有高度专一内切核酸酶的活性。经过科学家十多年的研究，核酶已被发展成为一项新型技术并广泛应用动植物抗病，人类疾病防治等领域的研究，显示出了广阔的应用前景。与常见的蛋白质组成的酶相似，RNA酶能加速细胞内的化学反应。Walter和密歇根大学的同事、Xiaowei Zhuang和哈佛大学的同事希望了解核酶分子的变化如何影响其活性，他们还想更好地了解进化如何塑造RNA酶行使其功能，并找到操控它们的方法。
Walter的研究组将单分子荧光共振能量传递（fluorescence resonance energy transfer，FRET）技术和数学模拟结合起来研究一种与烟草花叶病毒复制有关的核酶。正如蛋白质的酶不是一个静态结构一样，核酶也会变化形状、在紧凑的催化活性状态和松散的无活性状态间来回地变化。单分子FRET技术能使研究人员直接观察和测定核酶在两种不同形式间转换的频率和速度，以及当改变Ribozyme分子不同部位时这种转换频率的变化。
利用数学模拟，研究人员还研究了改变核酶分子的部分对催化化学反应能力的影响——他们吃惊地发现无论改变分子的哪个部位——甚至是远离反应中心的地方发生改变都会影响到催化的效率。
Walter说，这些观测结果与普通的蛋白质的酶很相似，但是直到现在还没有证据表明核酶工作方式与蛋白质酶相似。
“若干年前已经知道如果对一个蛋白质酶进行某种修饰——即使在离催化中心相当远的位置进行，也会发现化学反应直接受到影响，”Walter说。“这使我们想到可能存在一个“运动网络”使得蛋白酶作为一个整体行使其功能。我们的观测结果也使我们首次假设核酶也存在同样的情况。”
Walter说，弄清核酶如何工作对了解生物学本质很重要，但是这项工作也可能有实际利用价值。尤其是，Walter和同事Robert. T. Kennedy、Jens-Christian Meiners正在研究将它们作为生物传感器的前景。这个想法是有选择地开启一个核酶分子去催化的一个反应，得到的产物与一种特殊的分子结合时会释放一种特殊的荧光信号。
“正如我们现在所作的，当你能在单分子水平上进行操作时，你就能得到尽可能小的生物传感器，”Walter说。这种传感器将能够检测重要的荷尔蒙如leptin（一种与脂肪代谢相关的蛋白）。利用这样一个工具，“你将能检测单个细胞如何产生leptin和测定环境改变时细胞产生leptin的变化，”他说。
在另一项由NASA资助的项目中研究人员希望开发出一种生物传感器——这种生物传感器能够被发送到火星上并能探测氨基酸或其它能说明在这个星球上曾经存在生命的证据。“这个项目仍然处在发展阶段，但是我们正在发展的这项问技术最终将帮助我们设计出具有多种潜在应用价值的生物传感器，”Walter说。
研究成果公布在6月24日的PNAS的网络版上。
Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Jun 24
Single-molecule enzymology of RNA: Essential functional groups impact catalysis from a distance
David Rueda * , Gregory Bokinsky , Maria M. Rhodes *, Michael J. Rust , Xiaowei Zhuang ¶, and Nils G. Walter *¶
*Department of Chemistry, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109; and Departments of Chemistry and Chemical Biology and Physics, Harvard University, Cambridge, MA 02138
Communicated by Jennifer A. Doudna, University of California, Berkeley, CA, May 20, 2004 (received for review April 1, 2004)
The hairpin ribozyme is a minimalist paradigm for studying RNA folding and function. In this enzyme, two domains dock by induced fit to form a catalytic core that mediates a specific backbone cleavage reaction. Here, we have fully dissected its reversible reaction pathway, which comprises two structural transitions (docking/undocking) and a chemistry step (cleavage/ligation), by applying a combination of single-molecule fluorescence resonance energy transfer (FRET) assays, ensemble cleavage assays, and kinetic simulations. This has allowed us to quantify the effects that modifications of essential functional groups remote from the site of catalysis have on the individual rate constants. We find that all ribozyme variants show similar fractionations into effectively noninterchanging molecule subpopulations of distinct undocking rate constants. This leads to heterogeneous cleavage activity as commonly observed for RNA enzymes. A mod |
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