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在生物技术和气候变化研究中，了解温度对蛋白质结构完整性的影响至关重要。研究人员利用变温离子淌度质谱（VT-IM-MS）研究不同刚性分子的构象变化。结果显示，蛋白质结构随温度改变，该技术还能计算构象转换的相关参数，为研究蛋白质构象重组热力学提供依据。
在生命科学领域，蛋白质就像一个个精密的小机器，掌控着生物体的各种生命活动。而温度，这个看似普通的环境因素，却如同一只无形的手，对蛋白质的结构和功能有着深远的影响。在生物技术中，蛋白质药物的研发、保存都与温度密切相关；在气候变化的大背景下，研究蛋白质在不同温度下的变化，对于理解生物如何适应环境改变意义重大。然而，以往的研究存在诸多难题。对于蛋白质在低温下的结构变化，尤其是低于 273 K 时，大部分研究都是基于理论推测或者从接近 273 K 的测量数据外推，缺乏直接的实验证据。而且，现有的分析方法难以在低温下精准地研究蛋白质的构象变化。
为了攻克这些难题，英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）的研究人员展开了深入研究。他们利用变温离子淌度质谱（VT-IM-MS）技术，对不同刚性的分子，包括聚（L - 赖氨酸）（PLL）树枝状大分子、泛素、β- 酪蛋白和 α- 突触核蛋白，在 190 - 350 K 的温度范围内进行研究，试图揭开温度影响蛋白质构象的神秘面纱。最终，研究成果发表在《Nature Communications》上。
该研究采用的主要关键技术方法为：使用自制的可在 120 - 520 K 温度范围内工作的仪器进行测量。样品通过纳米电喷雾电离（nano-ESI）加载到仪器中，在不同温度下记录离子的到达时间分布（ATD），并将其转换为碰撞横截面（CCS）分布。实验过程中，严格控制漂移管的温度、压力以及电场强度等参数 。
下面来看具体的研究结果：
- 漂移气温度对 CCS 分布的影响：研究发现，对于所有被研究的物种，在 190 K 时的平均DTCCSHeTK值都比 295 K 时大，这符合气体动力学理论。G5 树枝状大分子的行为与理论预测相符，其 CCS 随温度降低而减小，且与温度的平方根成反比。而蛋白质的行为则更为复杂，例如泛素在 350 K 时开始出现热激活展开的迹象，随着温度降低，CCS 增加；β- 酪蛋白和 α- 突触核蛋白在不同温度下呈现出不同的构象景观，在 350 K 时开始热变性，且 α- 突触核蛋白在低温下会出现一些在高温下未被解析的构象 。
- 250 - 275 K 漂移气温度对分析物结构的影响：在这个温度范围内，蛋白质的构象变化不能单纯用漂移气温度降低导致的分辨率提高或缓冲气 - 离子相互作用来解释。泛素在 250 K 时，构象会重组为更大的形式；β- 酪蛋白在 275 K 时，DTCCSHe275K出现两种强度相似的物种，250 K 时所有构象都伸长，表现为冷变性；α- 突触核蛋白在 250 K 时，所有电荷状态都发生显著重组，不同电荷状态的构象变化程度不同 。
- α- 突触核蛋白构象动力学的实时捕捉：研究人员对 α- 突触核蛋白[M+13H]13+离子在不同温度下的构象进行研究，通过曲线拟合方法，获得了构象转变的动力学速率常数。发现随着温度降低，速率常数减小，反应减慢。根据实验数据计算出的激活能为 1.79 ± 0.12 kJ/mol，远低于预期，推测可能与 α- 突触核蛋白中形成或断裂的氢键数量有关 。
研究结论和讨论部分指出，VT-IM-MS 技术成功绘制了不同蛋白质的构象景观，并揭示了冷变性伴随的显著构象变化，这种变化在刚性的 G5 PLL 树枝状大分子中不存在，在内在无序蛋白中更为明显。从能量角度来看，250 K 时蛋白质的展开行为是分子动能和势能竞争的结果。较低温度下，分子的残余热运动减少，冻结过程加快，使得分子似乎保留了环境温度下的构象。通过对两种内在无序蛋白的低温数据比较，发现 α- 突触核蛋白的构象能量景观中的能量障碍较低，更易伸展，而结构化蛋白质由于分子内相互作用较多，能量障碍较高，在 250 K 时结构变化程度有限。
这项研究意义重大，它不仅有助于我们深入理解蛋白质在无溶剂环境下的行为，为相关模拟和力场优化提供数据支持；还能帮助我们区分溶剂效应和蛋白质内在物理性质对其结构的影响，这对于解释生物物理测量结果至关重要。此外，在实际应用中，蛋白质和肽广泛存在于制药、食品和化妆品等行业，了解温度对其构象的影响，有助于优化生产和储存条件。同时，对于研究低温环境下生存的生物，如嗜冷生物，也具有重要的参考价值。
