2023年7月5日，中国医学科学院基础医学研究所王晨轩团队在Science Advances(科学进展)上发表题为“Single-molecule visualization determines conformational substate ensembles in β-sheet-rich peptide fibrils”(单分子可视化技术检测富含β片层多肽纤维的构象系综)的文章。研究报道了利用扫描隧道显微镜（STM）在单分子水平上探测β片层为主的多肽的构象系综，揭示了其多种微观状态与宏观性质之间的关联规律，为研究蛋白质和多肽的构象系综提供了新的方法和研究思路。
蛋白质超分子组装和纳米结构的可控设计是生物分子工程和超分子材料研究领域的前沿问题之一。β片层是各种类淀粉样蛋白形成的纤维状聚集体的特征性结构。受淀粉样蛋白聚集体的结构启发，通过优化肽链之间的非共价相互作用，β片层可作为组装基元可构筑功能性超分子组装材料，应用于组织工程和药物递送。传统观点认为构成淀粉样蛋白纤维的β片层结构是高度有序的，一条淀粉样蛋白纤维内部的蛋白质单体构象是以唯一的能量最优状态存在的。然而近期的理论研究揭示蛋白质和多肽在天然状态下并非只以一种能量最低的构象存在，是由多种构象组成的构象系综。但是传统的生物物理学技术解析蛋白质内部构象异质性的能力十分有限，检测多个同时存在的构象亚稳态具有挑战性。亟需发展新方法、新技术实现对蛋白质组装体内部异质性结构的高分辨率解析。
为了研究β片层组装体内部的肽链的异质性构象系综，本团队利用扫描隧道显微镜(STM)在亚分子分辨率（<2.6 ?）对角蛋白衍生肽（KRT）和淀粉样多肽（-5Aβ42，TDP-43 341-357）进行研究。该团队的研究结果表明，上述β片层结构多肽组装体内部存在超过10个构象不同的微观状态，这些微观状态之间的相对能量差异在几kBTs范围内涨落。STM研究结果还揭示了氨基酸单个位点突变引起的肽链构象系综变化，且系综变化与多肽组装体的宏观性质密切相关。该工作基于STM的单分子成像成功捕获β片层结构多肽的构象系综图像，从而构建了多种微观状态间相互作用的能量景观。该方法时间短、直接成像的特点可以和传统的构象系综表征技术互补，为研究蛋白质和多肽的构象系综及其与生理功能之间的关联规律提供新方法。
本研究工作得到北京市自然科学基金（2222039）、国家自然科学基金（32201243，32201142,31901007）、中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2022-I2M-JB-003, 2021-I2M-1-022）、细胞生态海河实验室创新基金（HH22KYZX0011）等项目的资助。基础医学研究所王晨轩研究员、于兰兰副研究员和俄亥俄州立大学王晓光教授为论文通讯作者，基础医学研究所张文博助理研究员、研究生王若楠、刘明巍为论文的共同第一作者。国家纳米科学中心王琛研究员、杨延莲研究员、加州理工学院姚昱星博士、哈佛大学李姝聪博士也为该工作做出了重要贡献。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7943
