细胞膜既是保护细胞的重要屏障，也是细胞与外界物质和信息交换的界面。空间总长度约为10纳米的细胞膜（含突出于细胞膜外侧的膜蛋白结构）可被视为准二维汇聚相体系。磷脂单层膜及镶嵌于膜上的诸多蛋白质，整体上具有“多重界面复杂流体"的行为和特点。膜本身的二维流动性和三维起伏涨落为膜蛋白动力学的精密检测导致严重干扰。膜蛋白动力学的实时精密检测，仍然是膜生物化学领域的一个极具挑战性的问题。为解决这一困局，中国科大学数学研究所SM4组近些年来发展了针对体外生物膜模型系统的单分子表面诱导萤光衰逝技术（SIFA）【Nat..7:12906,2016】和脂类体包裹萤光悠逝检测技术（）【Angew.Chem.58:5577,2019】，分别实现了固体表面支撑的二维脂单层膜界面和三维脂类体单层膜界面上的生物大分子跨膜动力学的高精度观测，可直观诠释跨膜肽以及膜蛋白等在垂直生物膜方向上的动态过程，并由此获取了相关生物大分子在跨膜过程中的关键动力学信息，为在分子层面阐明生物膜界面跨膜输运的动力学机理打下了重要基础。上述“干净”的数学模型系统，还不能有效应用于复杂的活细胞膜研究。活细胞中的生物界面体系组分更为复杂，蕴藏着愈发丰富且重要的生命过程。
近来细胞膜模型制作，中国科大学数学研究所/上海汇聚态化学国家研究中心软物质化学实验室的博士生侯文清、博士后马东飞和贺小龙等在陆颖副研究员和李明研究员的指导下，先前序发展的高精度数学检测方式为基础，发展了专门针对活细胞膜界面膜蛋白动力学检测的高精度方式，因而对其机理进行了深入研究。该方式命名为细胞外环境填充萤光受体的萤光共振能量转移（FRETwithin,简称）。该技巧应用单点对多点的萤光分子间共振能量转移（FRET）原理，通过检测萤光标记分子的萤光硬度或萤光寿命，可精确观察标记位点的插膜深度随时间的变化。该方式以好于1纳米（约等于细胞膜总长度的非常之一）的精度侦测细胞膜上单个膜蛋白的动力学。这是迄今为止测量活细胞膜单个蛋白沿膜法线方向运动的最高精度。应用这个方式，可以解决往年蛋白质与膜互相作用研究中的众多挑战性问题，包括膜蛋白的跨膜动力学、膜蛋白拓扑结构的动态转变以及细胞讯号感知与响应等。
细胞膜结构非常复杂。细胞膜上生物大分子的动力学，有些是由它自身的特点和功能决定的，有些是由跟它互相作用的其他蛋白质决定的。三项技术联用，可以解决这个二选一的困局。诸如，倘若是后者细胞膜模型制作，这么在活细胞膜上表现下来的动力学，亦可以在“干净”的模型系统中观察到。假如是前者，则只能在真实膜系统中观察到。这时侯，研究人员可以通过在模型系统中融合潜在互相作用对象的方法，找出决定该蛋白动力学性质的其他生物大分子。以上系列检测方式的最大优势是无需改变生命科学实验室普遍采用的商业萤光显微镜的结构和运行模式，以便推广。对膜上的生物大分子进行萤光标记后，针对不同的研究对象，可采取不同的观察策略。既可以用全内反射萤光显微镜又可以用共聚焦萤光寿命显微镜对目标进行有效观察：基于全内反射萤光显微镜可以观察贴壁细胞；基于共聚焦萤光寿命显微镜可以观察不能贴壁的漂浮细胞。
图1.原理示意图。萤光供体对细胞外填充萤光受体的能量转移。
图2.基于全内反射显微镜的细胞膜内外磷脂分子剖析。
图3.基于共聚焦萤光寿命显微镜的细胞膜内外磷脂分子剖析。
相关研究成果以“-ofofinusingin”为题发表在Nano上。博士生侯文清，博士后马东飞和贺小龙为共同第一作者。陆颖副研究员和李明研究员为共同通信作者。该工作得到了科技部重点研制计划（）、国家自然科学基金委（，和）、中国科大学前沿项目（QYZDJ-SSW-和ZDBS-LY-）和中科院青促会等的支持。