授權轉載 / 江昀緯 (國立清華大學化學系教授)
傳統研究往往將膜蛋白從原生環境中分離後再行測量，難以體現在動態環境中，天然細胞膜獨特的脂質組合對蛋白結構與功能的影響。本研究透過結合奈米碟膜片傳輸技術（nano-delivery）與雙電子共振技術（DEER），成功將化學修飾過的膜蛋白送回活細胞中，得以觀察膜蛋白在執行功能時的動態構形變化。透過此方法，科學家可精確修飾、改造膜蛋白，並直接在原位及不同細胞背景下進行觀察與分析，將有助於深化對健康、疾病及細胞功能等基礎研究的進行。
想像一下，嘗試理解一台微小又精密的機器，卻只能把它拆解開來、每個零件平鋪在桌上，從未真正見過它在原本設計的環境中運作，這樣你真的理解他的運作原理嗎？細胞膜蛋白正如這般存在於活細胞內的機械，不斷在細胞膜動態的環境中辛勤運作，傳遞信號、運輸養分並維持細胞的平衡。傳統研究方法往往在將這些蛋白從原生環境中抽離後才加以研究。儘管此法讓科學家學到許多，卻有如只看著被拆解、攤在工作台上的汽車引擎，而非親眼目睹它在道路上運轉。
國立清華大學化學系江昀緯教授攜手陳貴通教授、林竣偉助理教授、以及兩位立陶宛Vilnius大學物理系教授，共同發表於美國化學會頂尖期刊《JACS Au》的研究，提出一種能讓科學家直接在活細胞中觀察膜蛋白運作，解析動態構形的方法，為這些蛋白的即時功能提供更真實的視野。
研究團隊使用的關鍵技術是 DEER--雙電子共振技術，此技術透過測量附著在蛋白質上的一對微小「自旋標記（spin label）」間的距離來進行分析。這些標記宛如微型信標，協助追蹤蛋白質隨著其功能運作而產生的形態變化。在過去，研究者必須先將膜蛋白從細胞中分離，置入界面活性劑溶液或人工模型膜中，再進行結構分析。這就像在魚缸外研究魚類。然而，該研究的新方法讓蛋白質保持在活細胞自身的膜中。如此一來，細胞獨特的脂質組合和其他成分所構成的自然環境仍得以完整保留，影響蛋白質的摺疊、運動與交互作用。理解這些細節對於開發精準藥物、提升生物技術應用，以及深入了解生命分子機制都至關重要。
那麼這團隊是如何達成的？他們利用稱為 nanodiscs 的奈米碟膜片作為運送工具（圖1）。首先，他們將來自細菌的膜蛋白 BsYetJ（是一維持人類細胞離子平衡的細菌同源蛋白）加以純化，並在其上精準地安置自旋標記。接著，他們將這些已標記的 BsYetJ 融入 nanodiscs 中，再將 nanodiscs 直接送入活的細菌細胞中。當這些蛋白嵌入細胞膜後，即可進行 DEER 光譜分析，在自然狀態下測量蛋白的形態。令人驚喜的是，蛋白仍保持功能，他們因此得以在原位觀察其構形變化。
該團隊在兩種類型的細菌中測試此方法：擁有雙層膜的革蘭氏陰性菌（E. coli），以及僅有單層膜的革蘭氏陽性菌（B. subtilis）。比較後發現，BsYetJ 的形態深受膜環境影響——若僅在人工條件下研究，根本無法看出這種差異。該研究結果顯示，對於具單層膜結構的革蘭氏陽性菌而言，這種測試方法更為便利。由於人類細胞同樣只有一層主要的質膜，這些從簡單系統中獲得的見解未來將可指引更複雜生物體的相關研究。
江昀緯教授指出，此技術開創了新的研究方向，讓化學家得以專注修飾、改造膜蛋白，然後便可輕鬆的將修飾過的膜蛋白送回原生細胞、甚至送到任何其他不同類型、物種的細胞上做研究。免除複雜的細胞生物學操作，實現『一批蛋白、多樣化實驗』的構想。
該研究的成果為在更接近生命真實狀態下研究膜蛋白敞開了大門，有助科學家更有效率的了解這些重要分子在原生環境中的反應方式。最終，這可望為健康、疾病以及細胞功能的分子基礎研究帶來更深遠的貢獻。透過結合 nanodiscs 傳輸技術與 DEER 光譜技術，該研究向在原地觀察這些微小「生命引擎」的目標又邁進了一步。
圖1. Nano-delivery 奈米碟膜片作為運送工具以進行In-Cell DEER研究的示意流程圖。
