2012年8月31日,，Angewandte Chemie International Edition 以“very important paper”及“inside cover article”的形式發(fā)表了王江云研究組及龔為民研究組題為Genetic Incorporation of a Metal Chelating Amino Acid as a Probe for Protein Electron Transfer的最新研究成果,。該研究通過(guò)基因密碼子擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)在活細(xì)胞中編碼螯合金屬的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸,，為研究生物大分子中的光致電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,，及利用生物元件實(shí)現(xiàn)高效可控的光致電荷分離提供了有力的工具。
電子傳遞（ET）涉及生物體內(nèi)許多重要的生化過(guò)程,，包括光合作用等,。如何改造生物元件實(shí)現(xiàn)高效可控的光致電荷分離，是利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源的重要問(wèn)題和主要瓶頸。同時(shí),，目前蛋白質(zhì)中的電子傳遞實(shí)驗(yàn)測(cè)量通常只能依靠在蛋白質(zhì)本身含有的殘基組氨酸或半胱氨酸上連接探針來(lái)進(jìn)行研究,，因此該方法僅能用于研究小的可溶性蛋白，限制了其應(yīng)用,。光誘導(dǎo)電子傳遞（PET）導(dǎo)致的熒光淬滅是一種用來(lái)探索生物大分子中的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化的有力工具,。但由于受到目前技術(shù)的限制，只能用酪氨酸或色氨酸作為電子供體,。
該研究將具有金屬螯合能力的非天然氨基酸通過(guò)基因密碼子擴(kuò)展的手段定點(diǎn)插入到綠色熒光蛋白（GFP）,，首次實(shí)現(xiàn)了在熒光蛋白發(fā)光中心至銅離子之間的快速光致電子轉(zhuǎn)移，并測(cè)量到電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在1 納秒之內(nèi)（接近光中心的速度）,。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示了3-吡唑基酪氨酸對(duì)銅離子具有高強(qiáng)度結(jié)合能力,。這些新方法為蛋白動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源提供了新的研究思路,，為金屬蛋白設(shè)計(jì)提供了新的工具,。該論文還提出了水母綠色熒光蛋白可能是水母的光感受器的新觀點(diǎn)。
美國(guó)Princeton University 著名生物物理化學(xué)家 Haw Yang 教授評(píng)議說(shuō)：“我相信,，非天然氨基酸編碼技術(shù)對(duì)生物物理學(xué)-蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的研究人員將提供一個(gè)非常有價(jià)值的工具,，而這篇文章即是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的研究之一，因?yàn)槭褂勉~作為淬滅劑,，可以極大地拓展基于距離測(cè)量的工具包,。”
美國(guó)University of Massachusetts著名生物無(wú)機(jī)化學(xué)家GUO Maolin 教授評(píng)議說(shuō)：“了解生物電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制，已被證明是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的和復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題,。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王博士和他的同事開發(fā)了一種新的策略,，即通過(guò)將金屬離子螯合非天然氨基酸并編碼到蛋白質(zhì)來(lái)研究這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。他們成功的將螯合Cu(II)的基團(tuán)在綠色熒光蛋白（GFP）的表面編碼,，在405nm光誘導(dǎo)下,，光致電子轉(zhuǎn)移（PET）從蛋白發(fā)色團(tuán)到Cu(II)迅速發(fā)生，并在一個(gè)納秒制造出還原性銅(I),。這種基因編碼的策略絕妙的地方在于，它為在活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控電子轉(zhuǎn)移提供了機(jī)會(huì),，而這將更加精彩,！”
北京大學(xué)著名生物物理化學(xué)家高毅勤教授評(píng)議說(shuō)：“光致電子轉(zhuǎn)移對(duì)蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究是一個(gè)非常有用的工具，但其應(yīng)用一般限于相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng),。這項(xiàng)工作很好地將金屬離子螯合氨基酸到蛋白質(zhì),，從而為蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)新的策略。這樣的方法很可能將顯著提高PET在蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究中的適用性,。”
本論文的共同第一作者為劉曉紅副研究員及博士研究生李家松,、董建樹。該研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的資助,。（生物谷Bioon.com）
doi: 10.1002/ange.201204962
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Genetic Incorporation of a Metal-Chelating Amino Acid as a Probe for Protein Electron Transfer
Xiaohong Liu, Jiasong Li, Jianshu Dong, Cheng Hu, Weimin Gong, Jiangyun Wang
Through the incorporation of the metal-chelating amino acid pyTyr into green fluorescent protein (GFP) from jellyfish, photoinduced electron transfer (ET) from the GFP chromophore to a bound Cu(II) ion was shown to occur within one nanosecond in a distance dependent manner. The crystal structure of GFP with pyTyr at a specific position shows the structural basis for the nanomolar binding affinity of pyTyr to Cu(II) ions.
