近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授张斌田团队在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为 “Real-time electrical monitoring of enzymatic catalytic dynamics at the single-molecule level” 的研究论文，该研究通过测量单个酶分子的蛋白电导，成功实现了对细胞色素P450 1A1（CYP1A1）催化代谢苯并[a]芘（BaP）过程的实时动态监测，为深入解析酶催化反应机制和酶促反应动力学提供了全新的单分子视角。

酶催化反应伴随着蛋白构象快速而复杂的周期性变化，精确捕获并解析这些构象动态是理解其反应机制的关键。然而，蛋白构象变化通常发生在微秒至毫秒时间尺度内，常规的体相分析技术受限于时间分辨率及单分子解析能力，难以捕捉这些瞬态过程。为解决这一难题，研究团队基于液相扫描隧道显微镜（STM）技术，搭建了具备超高时间分辨率的单分子蛋白电导检测平台，利用蛋白电导对构象变化高度敏感的特性，系统研究了蛋白构象及金属离子活性中心对分子电导的调控规律，并创新性地建立了基于蛋白电导的酶促反应动力学模型，成功解析了CYP1A1代谢多环芳烃BaP的催化反应路径。

图1 基于液相STM的单分子CYP1A1电导检测

在研究中，团队采用STM “钓鱼”策略，通过捕获单个CYP1A1酶分子构建出稳定的单分子结（图1a），进而研究其电导性质。研究结果显示，CYP1A1分子内存在多条电荷输运通道，包括金属离子活性中心介导的高电导峰，以及由氨基酸骨架介导的中电导峰。此外，还原型辅酶的加入能显著增强酶分子的电导响应，研究人员推测这一现象与活性中心铁离子的氧化还原价态改变有关，后续的理论计算也证实了这一假设。进一步的研究表明，在全酶催化条件下，底物BaP的加入会抑制蛋白电导响应，且电导值的变化呈现出明显的剂量依赖效应。据此，团队建立了基于蛋白分子电导的酶催化反应动力学模型，计算得到的米氏常数与传统方法结果高度一致。上述发现充分表明，酶蛋白的电导能够对其催化反应过程作出灵敏响应，这为在单分子水平研究酶催化反应奠定了基础。

图2 CYP1A1酶催化过程中的构象变化及蛋白电导的关系

为揭示蛋白电导与酶催化过程中构象变化的内在关联，研究团队借助圆二色光谱（CD）技术，对不同催化状态下酶的二级结构进行了定量表征。实验发现，辅酶NADPH的引入可提升α-螺旋的含量，并同步增强了蛋白电导（图2a-c）。与之相反，随着底物BaP浓度的升高，酶在结合底物时发生了局部的解旋与构象重排，导致α-螺旋含量呈线性下降（图2d-f），同时蛋白电导响应也随之降低。研究结果表明，蛋白电导值与α-螺旋含量呈正相关，即蛋白质的螺旋结构越完整，其内部的电荷传输效率就越高。 

图3 基于蛋白电导测量的CYP1A1代谢BaP反应过程实时监测 

在此基础上，研究团队进一步构建了具有超高时间分辨率的单分子电流-时间（i-t）检测模式，通过实时监测酶催化代谢过程中蛋白电导的瞬态变化，追踪酶促反应过程。结果显示，CYP1A1在代谢催化BaP的过程中，其i-t曲线呈现特征性的“电报噪声”信号。借助隐马尔科夫模型进行拟合分析，研究人员成功识别出四种典型的蛋白电导态，分别对应不同的酶催化分子事件。随后，通过采用反应中间体作为底物，并结合信号对比分析，研究人员进一步辨明了不同电导态所对应的酶促反应瞬态过程（图3）。据此，研究团队成功解析了CYP1A1代谢BaP的两条典型竞争性反应通路：即生成强致癌物BPDE的“激活通路”与生成7-OH-BaP的“解毒通路”。该项研究表明，基于蛋白分子电导的分析技术能够以超高时间分辨率捕获酶催化过程的瞬态中间态，为解析复杂的酶催化反应机制提供了重要的新工具。

南方科技大学环境科学与工程学院博士研究生范志敏为论文第一作者，张斌田为论文唯一通讯作者，南方科技大学环境科学与工程学院郑国贸副教授为论文共同作者。南方科技大学为论文第一单位。南方科技大学环境科学与工程学院研究生陈祖森、石三俊、冯晓楠，访问学者许铭棣，中国科学院大学研究生龚政文共同参与了该研究。研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市科技创新局项目以及深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74020-0

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

主图：丘妍

编辑：曾昱雯