[논문 리뷰] A new twist on PIFE: photoisomerisation-related fluorescence enhancement

Evelyn Ploetz, Benjamin Ambrose외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 24.

Photochromic and Fluorescence ChemistryMaterials Science참고 문헌 113인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단백질 유도 형광 증강(PIFE)을 그 기본 메커니즘을 반영하도록 '광이성질화 관련 형광 증강'으로 명칭을 변경할 것을 제안한다. 이는 생물분자 결합 시 시아닌 형광체의 시스/트랜스 광이성질화 동역학 변화에 의해 형광이 조절되는 메커니즘을 반영하기 위함이다. 저자들은 이 메커니즘이 생물분자 상호작용 전반에 걸쳐 널리 적용됨을 입증하여, 고감도로 구조적 변화, 단백질-리간드 및 단백질-단백질 상호작용을 정량적으로 레이블 프리 방식으로 감지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

PIFE was first used as an acronym for protein-induced fluorescence enhancement, which refers to the increase in fluorescence observed upon the interaction of a fluorophore, such as a cyanine, with a protein. This fluorescence enhancement is due to changes in the rate of cis/trans photoisomerisation. It is clear now that this mechanism is generally applicable to interactions with any biomolecule and, in this review, we propose that PIFE is thereby renamed according to its fundamental working principle as photoisomerisation-related fluorescence enhancement, keeping the PIFE acronym intact. We discuss the photochemistry of cyanine fluorophores, the mechanism of PIFE, its advantages and limitations, and recent approaches to turn PIFE into a quantitative assay. We provide an overview of its current applications to different biomolecules and discuss potential future uses, including the study of protein-protein interactions, protein-ligand interactions and conformational changes in biomolecules.

연구 동기 및 목표

• 초기 생물학적 맥락이 아닌 그 기본 광화학적 메커니즘에 기반해 PIFE를 재정의하기 위해.
• 생물분자에 결합함으로써 형광체의 이성질화 속도 변화에 기인한 시아닌 염료의 형광 증강 원리를 규명하기 위해.
• PIFE를 단백질을 초월한 다양한 생물분자 상호작용 연구를 위한 정량적 분석법으로 정착시키기 위해.
• PIFE의 적용 범위를 단백질-리간드, 단백질-단백질 및 구조적 변화 연구로 확장하기 위해.
• 다양한 생물분자 체계에서 형광 증강 현상을 통합적으로 기계적으로 설명할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 특히 시스/트랜스 이성질화 동역학에 초점을 맞춘 시아닌 형광체의 광화학 분석.
• 생물분자에 결합함으로써 발생하는 이성질화 속도 변화와 측정 가능한 형광 증강 간의 연관성 규명.
• 실시간으로 형광 증강을 정량화하기 위해 단일 분자 형광 기법의 적용.
• 핵산 및 단백질 복합체를 포함한 다양한 생물분자 체계에 PIFE 메커니즘 적용.
• 이성질화 동역학에 따른 형광 증강을 모델링하기 위한 이론적 프레임워크 수립.
• 다양한 실험 체계에서 메커니즘의 일반성을 확인하기 위해 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물분자 결합이 시아닌 형광체의 광이성질화 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 PIFE의 형광 증강 메커니즘이 단백질 상호작용를 초월해 보편적으로 적용 가능한가?
• RQ3 형광 증강을 단백질 특이적 효과가 아닌 이성질화 속도 변화 기반으로 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 PIFE가 생분자 내 구조적 변화를 감지하는 데 있어 한계와 감도는 어떠한가?
• RQ5 PIFE는 단백질-리간드 및 단백질-단백질 상호작용 연구에 어떻게 응용될 수 있는가?

주요 결과

• PIFE에서의 형광 증강은 정적 억제나 환경 변화가 아니라, 결합에 의해 감소된 시스/트랜스 광이성질화 속도에 기인한다.
• 이 메커니즘은 단백질 뿐 아니라 핵산 및 기타 생물분자와의 상호작용에도 일반적으로 적용된다.
• 이성질화 동역학의 kinetic 파rameter를 사용해 PIFE를 정량적으로 모델링할 수 있으며, 이는 예측 가능한 응용 가능성을 제공한다.
• 이 방법은 단일 분자 감도로 생분자의 구조적 변화를 실시간으로 감지할 수 있다.
• 결합 유도 동역학에 민감한 점을 감안해 PIFE는 단백질-리간드 및 단백질-단백질 상호작용 연구에 효과적이다.
• PIFE를 '광이성질화 관련 형광 증강'으로 재분류함으로써 더 정확하고 광범위하게 적용 가능한 기계적 기반을 확립할 수 있었다.