质量光度测量

《Annual Review of Biophysics》：Mass Photometry

生物大分子溶液中质荷比测量技术（mass photometry, MP）通过干涉式光散射实现单分子质量检测，可量化混合物中不同多聚体的相对丰度及相互作用能量。MP在纯化验证（APC/C复合体）、膜蛋白动态（Min系统）、病毒受体结合（SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2）等研究中展现优势，结合单分子追踪可解析亚稳态多聚体形成机制。未来需提升至5kDa分辨率并实现微摩尔浓度检测，结合机器学习优化数据处理。

　　### 质量光度技术及其在生命科学中的应用

质量光度技术（Mass Photometry, MP）是一种用于测量溶液中生物大分子质量的创新方法。与传统的标记型光学检测不同，MP通过直接测量质量实现了对生物分子的定量分析，从而能够在混合物中识别不同的分子种类并确定其相对丰度。这一技术不仅适用于蛋白质及其同源或异源寡聚体，还能够用于检测核酸、脂类和糖类等广泛类型的生物分子。MP的核心优势在于其能够定量分析分子异质性、相互作用能量以及动力学特性，使其在生命科学领域迅速得到应用和推广。

#### 质量光度的原理与优势

质量光度技术的原理基于光的散射现象。当光线照射到一个物体上时，该物体的极化特性会引发光的散射。这种散射强度与物体的体积和其相对于周围介质的极化差异有关。在质量光度中，通过使用部分反射镜等装置，能够有效地区分参考光和散射光，从而显著提高信噪比。这种方法特别适用于单分子的检测，因为它能够在不依赖于传统色谱分离的情况下，提供对复杂分子组合的精确质量测量。

质量光度的另一个重要优势是其能够提供时间分辨的测量，这使得研究人员能够观察分子在溶液中的动态行为，包括组装过程、解离速率以及相互作用的能量变化。此外，质量光度还能够在不破坏分子结构的情况下，对分子进行直接检测，这在研究蛋白质-蛋白质相互作用、膜结合动态以及病毒与宿主细胞的相互作用方面具有重要意义。

#### 质量光度在研究分子相互作用中的应用

在分子相互作用的研究中，质量光度提供了一种非标记的定量方法。通过测量不同分子组合的质量，研究人员可以推断其相互作用的亲和力和动力学参数。例如，在研究免疫球蛋白的二聚化过程中，质量光度能够通过测量二聚体和单体的相对丰度，计算出结合速率常数和解离速率常数，从而全面描述相互作用机制。

此外，质量光度还能够揭示分子相互作用中的协同效应。在研究SARS-CoV-2病毒的刺突蛋白与ACE2受体的结合时，质量光度能够检测到多个刺突蛋白与抗体形成的复合物，从而揭示其相互作用的特异性。这种能力使得质量光度在理解病毒与宿主细胞的相互作用机制中发挥了关键作用。

#### 质量光度在膜结合现象研究中的应用

质量光度不仅适用于溶液中的分子检测，还能够用于研究膜结合现象。通过将蛋白质固定在支持脂双层膜上，研究人员可以观察其在膜表面的动态行为，包括结合、解离以及多聚化过程。这种研究方法能够提供关于蛋白质与膜相互作用的详细信息，例如结合亲和力、扩散系数以及相互作用的协同效应。

在研究膜结合蛋白时，质量光度能够区分不同分子状态，例如单体、二聚体、三聚体等。通过测量这些分子在膜表面的扩散行为，研究人员可以推断其与膜的相互作用强度。例如，在研究Min系统时，质量光度能够揭示MinD和MinE之间的动态相互作用，包括它们在膜表面的结合和解离过程。

#### 质量光度在生物分子自组装研究中的应用

生物分子的自组装过程对于许多生物功能至关重要，例如细胞骨架的形成、纳米孔的构建以及细胞膜的结构变化。质量光度能够揭示这些自组装过程中的关键信息，包括不同组装状态的质量分布和动力学行为。例如，在研究大肠杆菌的Min系统时，质量光度能够检测到MinD蛋白在膜表面的动态多聚化过程，包括二聚体、三聚体和更高阶的组装形式。

此外，质量光度还能够用于研究自组装过程中的中间态。通过时间分辨的测量，研究人员可以观察到不同组装状态之间的转变过程，从而揭示自组装的机制。例如，在研究Actin蛋白的自组装时，质量光度能够检测到不同寡聚体的形成和解离过程，从而提供关于其组装动力学的详细信息。

#### 质量光度的未来发展与挑战

尽管质量光度技术已经取得了显著进展，但仍有诸多挑战需要克服。例如，当前的质量光度技术在高浓度样品中的应用受到限制，因为高浓度可能导致背景噪声增加，从而影响质量测量的准确性。为了解决这一问题，研究人员正在探索新的方法，如快速微流控稀释技术，以提高质量光度在高浓度样品中的适用性。

此外，质量光度的分辨率仍有提升空间。当前的质量光度分辨率可以达到约5千道尔顿，这在大多数生物分子的检测中已经足够。然而，对于更小的分子质量差异，如小肽或小分子，可能需要更高的分辨率。为此，研究人员正在开发新的光学技术和数据处理方法，以提高质量光度的分辨率和灵敏度。

在未来的应用中，质量光度有望与其他技术结合，以实现更全面的分子分析。例如，通过将质量光度与机器学习算法结合，可以提高数据处理的效率和准确性，从而更好地揭示分子相互作用的复杂性。此外，质量光度还可以用于研究更复杂的生物系统，如细胞内的分子网络和生物膜的动态变化。

#### 质量光度在生命科学中的潜力

质量光度技术的广泛应用表明，它在生命科学领域具有巨大的潜力。无论是研究蛋白质-蛋白质相互作用，还是分析膜结合动态，质量光度都能够提供重要的信息。通过结合多种实验方法，如电子显微镜和分子动力学模拟，质量光度能够更全面地揭示生物分子的结构和功能。

未来，随着技术的不断进步，质量光度有望成为一种更加通用和高效的生物分子检测工具。通过提高其分辨率、灵敏度和适用性，质量光度可以用于研究更广泛的生物系统，包括复杂的细胞内环境和天然条件下的生物分子相互作用。这将有助于推动生命科学的发展，并为生物医学研究提供新的视角和工具。