阐明膜蛋白的性质

30年前Matthias Wilm为一种方法提供了科学的基础，该方法促进了脂质膜与蛋白质的合成和自组装，使洞察力达到一百万多年膜蛋白演化的复杂性。从生物医学到环境背景，使用分子梁的使用对科学家如何解决问题的根本性改变，并对脂质膜进行调查。

细胞是几乎所有生命形式的基本组成部分。它的外壳是脂质膜。这些脂质膜执行各种各样的细胞-生物通信，这取决于它们所包含的蛋白质。细菌的膜蛋白种类很少，而人类有很多——几乎三分之一的人类蛋白质是膜蛋白。膜蛋白的生物进化产生了一些令人印象深刻的特性。在膜蛋白的帮助下，人类的视网膜可以在黑暗的环境中探测到单光子。植物中的膜蛋白主要负责光合作用并最终产生氧气。膜蛋白对有害细菌的分子识别是人体免疫系统抵御疾病的重要组成部分。因此，研究膜蛋白并在技术环境中详细复制上述过程是很重要的。然而，这并不总是容易的，因为缺乏足够的方法来合成含有合理数量的蛋白质的脂质膜。

Nano-Electrospray技术
在1988年至1989年在Matthias Wilm在物理实验室浓缩的基础上，在1988年至1989年之间开发了潜在的基础技术。表面现象，如粘附，摩擦，腐蚀，吸附，润湿性和生物相容性取决于上分子层的精确组成。要回答本领域的关键问题：“表面区域中存在的所有原子和分子物种的性质，浓度和位置是什么？”由本宁埃为主等他的实验室开发了一种叫做二次离子质谱仪的特殊仪器。这些机器能够揭示任何固体表面的分子层的分子组成。

在这种情况下，1988年，Matthias Wilm制造了一种电喷雾装置，它可以将有机分子溶液均匀地分布在表面上，并成功地提供了过程的数学描述。他的描述表明，当流速足够小时，表面的有机分子会形成一个单一的分子层。这种电喷雾装置产生的液滴非常小，平均只含有一个有机分子。在当时，这为纳米电喷雾在质谱仪的真空中能够产生质量无限的稳定离子的理论提供了支持。这些微小的液滴从大气中转移到真空中，导致溶剂蒸发，有机分子冷却下来，这很像香水中的酒精蒸发到皮肤上，并通过这种方式稳定下来。

纳米电喷雾产生巨大的膜，含有成千上万的蛋白质。

这解决了与蒸发和电离蛋白质和肽相关的问题。在这种情况下，将分析物通过一个保持高电势的针，溶液就会分散成含有蛋白质分子的带电小液滴。液滴迅速蒸发，并通过场解吸或残留溶剂蒸发的过程释放质子化的蛋白质分子进入气相。

近年来，纳米电喷雾已被用于在气相和大气条件下，在分子水平上设计出允许自组装成包括蛋白质在内的脂质膜的层。这种方法非常类似于在真空中用分子束合成小分子的晶体结构，称为分子束外延。后者的一个突出的例子是石墨烯层，单层的碳晶体具有非常有前途的电子性质。对于这两种材料(石墨烯和包括蛋白质在内的脂质膜)，大规模制造它们的方法都有很高的需求。基于纳米电喷雾的方法似乎解决了生物膜的这一问题。作为一种适用于所有蛋白质的分子束装置，它没有明确使用任何特定的蛋白质特性，而是普遍适用——开辟了许多可能性。这使得膜蛋白的研究在合成和控制在体外系统(试管内)。正如Wilm教授解释的那样:“希望是一种可扩展的方法，打开一种新型软物质技术的大门，使人们能够了解膜蛋白的特性，这种特性的进化经历了数百万年。我认为这些纳米电喷雾生成的生物活性膜就是生物化学家的“石墨烯”。就像物理学家通过加入碳以外的元素来改变石墨烯层的电子特性一样，生物化学家也可以通过加入不同的蛋白质来塑造这些人工膜的生化特性。”

自组装生物活性膜：问题和可能性
含有蛋白质的自组装膜的一个用途是研究蛋白质的三维原子结构。传统上，有三种方法可以揭示膜蛋白的结构，其中两种方法需要二维或三维的膜蛋白晶体。由于晶体的产生非常困难，耗时和材料消耗，第三种方法是目前的选择方法:哭泣电子显微镜。含有蛋白质的膜片被迅速冻结，从静止的蛋白质中获得电子显微镜图像。有了足够的图像，计算机程序就可以重建蛋白质分子的三维形状。这类似于用电脑对艺术雕塑进行激光扫描后的三维重建，只是分子要小得多，复杂得多。成千上万的图像必须被组合起来进行三维重建。纳米电喷雾生成的薄膜非常巨大，包含数千种蛋白质。因此，一次制备就可以获得足够的图像。目前要做到这一点，必须进行几十次甚至数百次的个别准备工作。

膜蛋白的功能可以在合成，受控的体外系统中研究。电喷雾方法是可扩展的，使得这些膜可用于采用整体受体膜蛋白的传感器显影。用于此目的的当前技术称为束缚双分子脂质膜（TBLM）。这里，通过将膜蛋白内的某些化学结构联接到表面，将脂质层固定到固体载体上。利用这种方法，已经证明，可以常规地产生具有大于10mΩcm2的特定电阻的双层。然而，受体蛋白必须含有可以锚定到表面的化学基团。此外，其自由迁移率的限制可以抑制其功能。不再需要所有这一切，因为可以使用纳米电喷雾器在液面上施加在液体表面上的情况下产生膜，然后以更灵活的方式转移到技术装置，例如通过在没有化学固定的情况下将其携带到薄的网格上。与叶子相似的方式在秋天的室外游泳池中捕捞。

使用低流量的电喷雾，可以产生非常小的液滴，它们只包含一个蛋白质分子。

通过专用实验评估这种脂膜的功能。称为缬氨酸霉素的脂质状分子结合钾（K.⁺）离子并促进它们穿过脂质双层的运输。这可以通过将H +通道蛋白M2同时​​掺入膜中来测试。当K.⁺离子在缬氨酸霉素存在的位置穿过细胞膜，H⁺通过通道蛋白M2可以测量电流波动。K的迁移⁺离子影响H+的运输，因为两种离子携带相同的电荷和承受积累在膜的同一位置。

这项工作只是一个简单的例子，生物膜构成自己的化学环境。如果我们能够自由选择膜的组成和尺寸，就像通过纳米电喷雾法合成膜那样，我们还能取得多大的成就?这就是马提亚斯·维尔姆所说的利用高度进化的膜蛋白的特性的一种新的软物质技术的到来。