2025年1月23日，万博英超狼队网官方网 市川宗嚴(ICHIKAWA Muneyoshi)團隊在JACS Au發表了題目為“Optical Control of Microtubule Accumulation and Dispersion by Tau-Derived Peptide-Fused Photoresponsive Protein”的文章，報道了利用蛋白質設計人工構建的TP-Dronpa蛋白實現對微管超結構聚集和分散的光動態調控。
微管作為真核生物細胞骨架的重要成分，通過聚集形成各種超微結構（如微管束和雙聯體）來維持細胞形狀以及參與神經細胞軸突和樹突的形成；同時也為馬達蛋白參與貨物運輸和鞭毛/纖毛的擺動提供支架。微管聚集結構如微管束對於動態材料活性物質和分子機器人的研發有重要的應用前景。因此如何人工控製微管超結構的動態調控是一個重要的研究課題。團隊此前從微管結合蛋白Tau蛋白中開發了一種可與微管內表麵結合的Tau衍生肽（TP），與帶正電的組氨酸標簽一同與四聚體綠色熒光蛋白Azami-Green（AG）融合，構建了能同時結合微管內表麵和外表麵的TP-AG蛋白，並在體外成功誘導了雙聯體微管、微管束、星體微管以及微管分支結構等多種微管超結構的形成。在此基礎上，團隊進一步利用可光控聚集狀態的四聚體綠色熒光蛋白Dronpa替換AG，以期實現對微管超結構的人工光動態調控。
首先，團隊設計構建了TP -Dronpa蛋白並對其與微管的結合進行分析。在405nm波長或505nm波長光照下，TP -Dronpa分別實現從不發熒光的單體到具有綠色熒光的四聚體、以及從四聚體到單體的轉換。UV-vis光譜和凝膠過濾層析結果均驗證了TP-Dronpa的聚合狀態（單體或四聚體）的可人為光調控，並在負染電鏡下觀察到了光控提純的單體和四聚體。共聚焦激光掃描顯微鏡與負染電鏡的結果顯示四聚體TP-Dronpa可與微管以及微管蛋白結合。
圖: 通過TP-Dronpa對微管超結構的光調控
為了探究TP-Dronpa對微管結構的影響，對四聚體和單體進行運動性實驗（motility assay）。在驅動蛋白組成的基底上孵育微管和TP-Dronpa，加入ATP促使驅動蛋白運動。共聚焦激光掃描顯微鏡結果顯示，四聚體誘導微管形成厚實的束狀結構，時間序列圖像顯示在加入ATP後微管束轉變為星體狀結構；而單體並不形成微管束，在加入ATP後也不發生明顯變化。實驗結果顯示TP-Dronpa誘導微管聚集。冷凍電鏡結果進一步證實四聚體TP-Dronpa體外誘導微管超結構如微管束和雙聯體微管的形成。
接下來團隊對TP-Dronpa誘導微管超結構的可光控性進行實驗驗證。光控的原理是TP-Dronpa四聚體和單體之間的互相轉變。共聚焦激光掃描顯微鏡的結果顯示，四聚體TP-Dronpa誘導產生的微管束在505nm光照條件下轉變為分散的微管；而與單體TP-Dronpa孵育的分散微管在405nm光照條件下聚集形成微管束。
團隊進一步研究了光控TP-Dronpa對微管集群運動的影響。在添加甲基纖維素的條件下，對TP-Dronpa微管複合物進行運動性實驗。熒光顯微鏡圖像結果顯示四聚體TP-Dronpa促使微管聚集和集群運動，時間序列圖像顯示當與單體孵育的微管-驅動蛋白基底係統用405nm激光照射後，微管開始聚集並產生集群運動，實現了微管聚集和集群運動的光調控。
綜上所述，TP-Dronpa蛋白可誘導體外形成微管超結構，並實現對微管聚集和分散的光調控。這種光控方法不需要對微管蛋白進行修飾，並且具有可逆性。該方法可以通過熒光圖像實現微管聚集和分散的追蹤，同時，該基於蛋白的微管聚集/分散係統可用於模擬形成微管超結構的天然係統。
万博英超狼队网官方网 市川宗嚴(ICHIKAWA Muneyoshi)青年研究員作為共同通訊作者，課題組的碩士研究生呂倩茹參與了本研究。合作單位有鳥取大學、上海科技大學以及京都大學。本研究得到了上海市“科技創新行動計劃”自然科學基金的資助。