Fast ATP-dependent Subunit Rotation in Reconstituted FoF1-ATP Synthase Trapped in Solution
FoF 1-ATP酶是一种广泛存在的膜结合的旋转马达酶，可以催化ATP的合成和水解。它们的酶动力学受内部亚基旋转、底物和产物浓度、机械抑制机制以及质子跨膜的电化学电位控制。单分子Förster共振能量转移（smFRET）已被用于检测包埋在自由扩散脂质体中的FoF 1-ATP酶内的亚基旋转。我们现在报告，动力学监测功能旋转可以延长从毫秒到秒，利用反布朗电动势阱（ABEL陷阱）。这些延长的观察时间使我们能够观察溶液中单个FoF 1-脂质体的功能旋转的波动速率。ATP依赖的催化速率的广泛分布被揭示。质子的电化学势的积累被证实限制ATP水解的最大速率。在存在离子载体或解偶联剂的情况下，在单个重构FoF 1-ATP酶中测得的最快亚基旋转速度为每秒180个完整轮。这是更快地比生化系综平均测量，但没有那么快的最大转速之前报道的分离的单个F1复合物从膜包埋的Fo复合物解偶联。ABEL陷阱测量的进一步应用应有助于解决这种波动率的亚基旋转的机械原因。
2021-06-26 q-bio.BM
Optimized green fluorescent protein fused to FoF1-ATP synthase for single-molecule FRET using a fast anti-Brownian electrokinetic trap
自由扩散的单分子在溶液中的观察时间受到所附荧光标记物的光物理学和足够的信号背景比所需的飞升范围内的小观察体积的限制。为了通过共焦检测体积延长扩散限制的观察时间，A。E. Cohen和W. E. Moerner发明并建造了ABELtrap -一种微流体装置，可以用电动陷阱主动抵消单个纳米颗粒的布朗运动。在这里，我们提出了一个版本的ABELtrap的激光聚焦模式产生的电光光束偏转器和可编程FPGA芯片控制。这种ABELtrap可将单个荧光纳米颗粒保持100秒以上，与自由扩散相比，荧光纳米颗粒的观察时间增加了10000倍。为了实时监测单个膜蛋白的构象变化，我们使用Förster共振能量转移（smFRET）记录了两种特异性连接的染料之间的连续距离变化。FoF 1-ATP合酶的α-亚基与mNeonGreen融合导致在较低激光激发功率下改善的信号背景比。这增加了我们测量的蛋白脂质体的陷阱持续时间超过2秒。此外，我们观察到不同的smFRET水平归因于FRET供体（mNeonGreen）和受体（Alexa 568）荧光团之间的不同距离分别连接在FoF 1-ATP合酶的a-和c-亚基。
2016-01-26 q-bio.BM q-bio.QM
Visualizing mitochondrial FoF1-ATP synthase as the target of the immunomodulatory drug Bz-423
靶向线粒体酶FoF 1-ATP合成酶并用小分子调节其催化活性是治疗自身免疫性疾病的一种有前途的新方法。免疫调节化合物Bz-423是这样一种药物，其与线粒体FoF 1-ATP合酶的亚基OSCP结合，并通过增加偶联的、积极呼吸的线粒体中的活性氧产生来诱导细胞凋亡。本文综述了Bz-423与线粒体靶点结合的实验研究进展，并讨论了Bz-423对FoF 1-ATP合酶亚基旋转的影响。简而言之，我们报告如何福斯特共振能量转移（FRET）可以采用共定位的酶和荧光标记的Bz-423内的线粒体的活细胞与纳米分辨率。
2018-04-30 q-bio.BM q-bio.SC
Monitoring subunit rotation in single FRET-labeled FoF1-ATP synthase in an anti-Brownian electrokinetic trap
FoF 1-ATP合成酶是催化“生物能量货币”三磷酸腺苷（ATP）合成的膜蛋白。该酶利用内部亚基旋转将质子动力转化为化学键。我们应用单分子Förster共振能量转移（FRET）来监测两个耦合马达F1和Fo中的亚基旋转。因此，必须从大肠杆菌的质膜中分离酶，荧光标记并重组成120 nm大小的脂质囊泡以产生脂蛋白体。这些自由扩散的脂蛋白体偶尔穿过共聚焦检测体积，导致光子爆发。构象动力学的酶的FRET效率在一个单一的光子爆发的顺序变化进行了鉴定。通过在反布朗电动势阱（ABELtrap，由A. E. Cohen和W. E. Moerner）。在这里，我们描述了FoF 1-ATP合酶的制备程序和模拟FRET效率轨迹为“困”的蛋白脂质体。隐马尔可夫模型应用于信号与背景比的限制，用于识别旋转酶在低ATP浓度下运行时的停留和子步骤，由低激光功率激发，并由ABELtrap限制。
2013-02-11 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
ATP Synthase: A Moonlighting Enzyme with Unprecedented Functions
ATP合酶的内在分子静电势（MESP）建设性地增加，因此加强，化学渗透电压。这个ATP合酶电压代表了一个新的自由能术语，似乎被忽视了。这一项至少在数量级上大致相等，符号上与麦克斯韦妖（Landauer原理）所需耗散的能量相反。
2022-02-22 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Observing single FoF1-ATP synthase at work using an improved fluorescent protein mNeonGreen as FRET donor
三磷酸腺苷（ATP）是细胞活动的通用化学能量货币，主要由细菌、叶绿体和线粒体中的膜酶FoF 1-ATP合酶提供。ATP的合成伴随着酶内的亚基旋转。在过去的15年中，我们已经开发了各种单分子FRET（smFRET）实验，以监测体外单个细菌酶的催化作用。通过在单个酶中特异性标记旋转和静态亚基，我们能够观察到F1马达中的三步旋转，Fo马达中的十步旋转和连接的转子亚基的瞬时弹性变形。然而，通过smFRET测量的运动活动的空间和时间分辨率受到FRET荧光团的光物理学的限制。在这里，我们评估了新的FRET供体mNeonGreen作为FoF 1-ATP合酶的融合，并将其与以前使用的荧光团EGFP进行比较。本论文的主题是全功能突变酶的生化纯化程序和活性测量。
2016-02-12 q-bio.BM
Regulatory conformational changes of the epsilon subunit in single FRET-labeled FoF1-ATP synthase
FoF 1-ATP合酶是细菌FoF 1-ATP合酶的内在调节因子，FoF 1-ATP合酶是一种普遍存在的膜包埋酶，在大多数生物体中利用质子动力合成三磷酸腺苷（ATP）。大肠杆菌酶F1部分的X射线结构显示，β-内酰胺酶的C-末端结构域可以延伸到α和β亚基形成的中央空腔中。这种插入阻止了中心γ亚基的旋转，从而防止了浪费的ATP水解。在这里，我们的目标是开发一个实验系统，可以揭示条件下，在这种条件下，在体外抑制全酶FoF 1-ATP合酶。标记的C-末端结构域的的α和γ亚基特异性与两个不同的荧光团的单分子Foerster共振能量转移（smFRET）允许监测构象的α在重构的酶在实时。为未来的三色smFRET实验制作了新的突变体，以揭示p53中调控构象变化的细节。
2014-02-16 q-bio.BM
Monitoring transient elastic energy storage within the rotary motors of single FoF1-ATP synthase by DCO-ALEX FRET
FoF 1-ATP合成酶为活细胞提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）。催化作用是由酶内亚基旋转与三个ATP结合位点构象变化的机械化学耦合驱动的。通过ATP合酶的膜结合Fo部分的质子转运为c亚基环的10步旋转运动提供动力。这种旋转传递到F1部分的γ和γ亚基。由于γ和γ亚基旋转120度的步骤，我们的目标是解开这种对称性不匹配的实时监测亚基旋转使用单分子福斯特共振能量转移（FRET）。一个荧光团特异性地连接到F1马达，另一个连接到脂质体重构酶的Fo马达。由于单一荧光团的光谱波动的光物理伪影最小化由先前开发的占空比优化的交替激光激发方案（DCO-ALEX）。我们报告了Fo和F1转子部件之间的可逆弹性变形的检测，并使用Monte Carlo模拟估计了无负载旋转期间的最大角位移
2012-01-30 q-bio.BM
Subunit rotation in a single FoF1-ATP synthase in a living bacterium monitored by FRET
FoF 1-ATP合酶是线粒体、叶绿体和细菌中普遍存在的膜结合酶，其为细胞过程提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）。在大肠杆菌中，ATP合成由质子动力（PMF）驱动，该质子动力包括质子浓度差ΔpH加上跨脂质膜的电势Δ pH。单分子体外实验已经证实，质子驱动的FoF 1-ATP合酶内的亚基旋转与ATP的合成。基于单分子荧光共振能量转移（FRET）的分子内距离测量的亚基旋转的动力学和不同的转子部分的步长已经解开。然而，这些实验是在由最大ΔpH ~ 4和未知Δ pH组成的PMF存在下完成的。相比之下，在活细菌中，跨质膜的最大ΔpH可能为0.75，并且Δ pH在-80 mV和-140 mV之间测量。因此，必须分别解决单个FoF 1-ATP酶的体内催化转换速率或体内旋转速度的问题。此外，必须确定维持高ATP水平所需的单个细菌中功能酶的绝对数量。我们报告了我们的进展，在体外和体内，这是一个新的标记方法，单分子FRET测量单FoF 1-ATP酶的亚基旋转测量。
2011-02-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Simultaneous monitoring of the two coupled motors of a single FoF1-ATP synthase by three-color FRET using duty cycle-optimized triple-ALEX
FoF 1-ATP合成酶是为活细胞提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）的酶。ATP的形成是通过酶内亚基的逐步内部旋转来完成的。简而言之，质子通过ATP合酶的膜结合Fo部分的移位驱动c亚基环相对于非旋转亚基a和b的10步旋转运动。这种旋转被传递到F1扇区的γ和γ子单元，导致120度的步长。为了解开这种对称性错配，我们通过单分子荧光共振能量转移（FRET）方法监测亚基旋转，该方法使用三个特异性连接到酶的荧光团：一个连接到F1马达，另一个连接到Fo马达，第三个连接到非旋转亚基。为了减少由于单个荧光团的光谱波动引起的物理伪影，已经开发了占空比优化的交替三激光方案（DCO-ALEX）。同时观察两个电机的步长可以检测Fo和F1转子部件之间的可逆弹性变形。
2009-02-08 q-bio.BM
Fluorescent nanodiamonds for FRET-based monitoring of a single biological nanomotor FoF1-ATP synthase
金刚石纳米晶体中的色心是一类新型荧光标记物，由于无与伦比的亮度、光稳定性和生化惰性而引起人们的极大兴趣。含有缺陷的金刚石纳米晶体可用作标记物，取代传统的有机染料分子、量子点或自体荧光蛋白。它们可以被应用于单个标记的跟踪和超高分辨率定位。此外，金刚石缺陷的自旋特性可以用于具有纳米分辨率的新型磁光成像（MOI）。我们开发这种技术来解开的旋转运动的细节和一个单一的生物纳米FoF 1-ATP合酶的弹性能量存储机制。FoF 1-ATP合成酶是为活细胞提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）的酶。ATP的形成是通过酶内亚基的逐步内部旋转来完成的。以前的亚基旋转已监测单分子荧光共振能量转移（FRET），并受到限制的荧光团的光稳定性。荧光纳米金刚石将这些FRET测量推进到长时间尺度。
2009-02-02 q-bio.BM q-bio.OT
ATP synthase: evolution, energetics, and membrane interactions
生命的“通用能量货币”ATP的合成是生物系统中最普遍的化学反应，并且负责为几乎所有的细胞过程提供燃料，从神经冲动传播到DNA合成。ATP酶是一种完成这一无休止任务的酶家族，它几乎和它们负责制造的能量分子一样无处不在。F型ATP合酶（F-ATP酶）存在于生命的各个领域，据信早在15亿年前这些谱系的分歧之前。因此，这些酶促进了生物体在从深海热喷口到人类肠道等各种生境中的生存。在这篇综述中，我们提出了一个概述的F-型ATP酶的结构和功能的现有知识，突出了几个适应的特点，跨类群。我们强调在酶的特定脂质环境的背景下研究这些特征的重要性：正如生物体与其物理环境之间的相互作用塑造其进化轨迹一样，ATP酶受到它们所在的膜的影响。我们认为，全面了解膜蛋白的结构，功能和进化-包括ATP合酶-需要这样一个综合的方法。
2020-06-16 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Rotational Dynamics of ATP Synthase: Mechanical Constraints and Energy Dissipative Channels
本研究详细核算了ATP合酶分子马达的能量利用与耗散通道，并探讨了Fo单元旋转的量子力学约束，发现其整体运行在经典区域内，体现了进化上的优化。
2025-06-30 q-bio.BM
GTP before ATP: The energy currency at the origin of genes
本文探讨基因起源前的能量货币演变，提出GTP先于ATP作为翻译的祖先能量货币，并推测其更早来源为H2驱动的CO2还原，与乙酰辅酶A途径相关。
2025-10-09 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Subunit rotation in single FRET-labeled F1-ATPase hold in solution by an anti-Brownian electrokinetic trap
FoF 1-ATP合酶催化三磷酸腺苷（ATP）的合成。F1部分可以从酶的膜包埋的Fo部分剥离。F1充当ATP水解酶，并且ATP水解与F1的γ亚基和γ亚基的逐步旋转相关。在过去的15年里，使用附着在表面上的单个F1部件对这种旋转运动进行了详细的研究。通过结合的荧光肌动蛋白丝、纳米珠或纳米棒或单个荧光团的视频显微镜监测γ的亚基旋转。或者，我们应用单分子Förster共振能量转移（FRET）监测亚基旋转的全酶FoF 1-ATP合酶在脂质体中重建。现在，我们的目标是延长观察时间的单一FRET标记的F1在溶液中使用的反布朗电动势陷阱（ABELtrap）的修改版本发明的A。E. Cohen和W. E.莫尔纳我们使用Monte Carlo模拟来揭示逐步FRET效率变化可以通过隐马尔可夫模型来分析，即使在预期由于ABELtrap的微流体引起的高背景计数率而导致的低信号背景比的限制下。
2013-02-23 physics.bio-ph q-bio.BM
The regulatory switch of F1-ATPase studied by single-molecule FRET in the ABEL Trap
F1-ATP酶是膜包埋酶FoF 1-ATP合酶的可溶性部分，其催化真核细胞和真细菌细胞中三磷酸腺苷的产生。相反，F1部分也可以在三个催化结合位点快速水解ATP。因此，必须在细胞中最小化F1（或FoF 1）对“非生产性”ATP水解的催化作用。在细菌中，ATP亚基被认为通过机械地将其C末端插入F1的旋转马达区域来控制和阻断ATP水解。我们研究了这一拟议的机制，通过标记F1特异性与两个荧光团监测的C-末端的Förster共振能量转移的α亚基。单个F1分子被反布朗电动势阱捕获在溶液中，该反布朗电动势阱将FRET标记的F1保持在原位数百毫秒的延长观察时间，受光漂白的限制。比较不同生化条件下单个F1和FRET直方图的FRET变化，以评估拟议的调控机制。
2014-02-08 q-bio.BM
Mitochondrial oxidative phosphorylation: Debunking the concepts of electron transport chain, proton pumps, chemiosmosis and rotary ATP synthesis
在这里（我工作的第一部分），我揭穿了解释线粒体氧化磷酸化的长期假设。简单的计算指出，线粒体是高度质子缺乏的微观世界，因此，复杂的质子泵机制是站不住脚的。此外，其他元素，如复杂的电子传递链，化学渗透，旋转ATP合成等也进行了严格的评估，指出这样复杂的系统是不可行的。通讯需要一个新的解释范式细胞呼吸。在我的工作的第二部分，我提出了一个可行的替代线粒体氧化磷酸化的解释范式。
2017-03-16 q-bio.BM
H-loop Histidine Catalyzes ATP Hydrolysis in the E. coli ABC-Transporter HlyB
三磷酸腺苷（ATP）结合盒（ABC）转运蛋白是一类将ATP水解与底物跨膜转运相结合的分子马达蛋白。ABC转运蛋白的每个核苷酸结合域都含有高度保守的H环组氨酸残基，其对运动功能的精确机制作用仍然难以捉摸。结合量子力学和分子力学计算，我们证明了大肠杆菌中保守的H环残基H662。大肠杆菌HlyB是一种细菌ABC转运蛋白，在ATP水解过程中，HlyB首先作为一种通用酸，然后作为一种通用碱，促进质子转移。在没有H662的帮助下，从溶解水到ATP的直接质子转移导致势垒高度大大提高。我们的研究结果表明，H环残基H662的基本功能是提供一个“化学关键”，通过中继机制在反应物之间穿梭质子，从而催化HlyB中的ATP水解。
2013-03-30 q-bio.BM
