在生命科学的微观战场中，蛋白质的“一举一动”主导着细胞命运。然而，传统结构质谱分析技术因受“基质效应”的影响，难以捕捉蛋白质在复杂生理环境中的瞬态变化。近日，南开大学李功玉课题组推出革命性平台RapiBOX-IM-MS，并深度融合沃特世离子淌度质谱，首次实现细胞内蛋白质动态的“毫秒级电影级”观测，为神经退行性疾病治疗、药物开发等领域开辟了全新路径。该成果发表在国际知名化学期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）。
图源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202518076
技术突破
双重机制破解“基质效应”难题
传统质谱分析需对样品进行纯化脱盐，导致蛋白质原生环境被破坏，关键中间体丢失。RapiBOX-IM-MS平台创新性地整合两大核心技术：
01
微流控缓冲液交换
在纳升电喷雾针尖端，通过微流控设计实现分析物与挥发性缓冲液的毫秒级混合，快速去除盐类干扰。
02
脉冲电泳分离
利用脉冲电场在电离瞬间将大分子蛋白质与小分子盐类、基质干扰物分离，保留蛋白质天然构象。
这一“双重清洗”机制使平台在0.21秒至秒级时间分辨率下，直接捕获细胞裂解液或活细胞中的蛋白质动态，无需复杂预处理。例如，在血红蛋白（Hb）复性研究中，RapiBOX首次观测到传统方法无法捕捉的α/β同源二聚体中间态，揭示了其折叠路径的不对称性。
图1. RapiBOX平台用于细胞中蛋白质结构动力学的时间分辨分析。
强强联合
沃特世离子淌度质谱赋能多维解析
为进一步解析蛋白质构象的细微差异，研究团队将RapiBOX与沃特世离子淌度质谱深度耦合。沃特世的Triwave技术通过三重离子导引装置，结合淌度分离与双碰撞池碎裂，能够实现四维数据采集（保留时间、质荷比、漂移时间、信号强度）。本研究中通过阶梯能量梯度方法进行了碰撞诱导解折叠（CIU）实验，这种逐步激活方案能够对气相构象转变进行定量监测，其中去折叠中间体通过漂移时间分布和碰撞截面（CCS）演变曲线得以表征。
图2. 沃特世离子淌度质谱为蛋白折叠中间态提供确凿证据。
应用案例
钙调蛋白（CaM）结合动力学
在未纯化的细胞裂解液中，RapiBOX-IM-MS平台实时监测到CaM与钙离子的协同结合过程——先形成结合2个钙离子的中间态，再转化为全结合态。这一精细过程在复杂基质中首次被直接观测。
α-突触核蛋白（α-syn）致病机制
研究发现，酸性环境会诱导α-syn结构致密化，形成“动力学陷阱”，使其对热应激异常稳定，增加病理性聚集风险。这一发现为帕金森病等神经退行性疾病提供了全新致病模型。
技术优势
从“静态快照”到“动态电影”
高速时间分辨率
亚秒级捕获蛋白质构象变化，突破传统质谱“秒级”瓶颈。
原生环境保留
直接分析细胞裂解液或活细胞，避免人工干预导致的假象。
多维数据解析
沃特世淌度分离技术提供碰撞截面积（CCS）值，结合RapiBOX的动态监测，构建蛋白质构象“全景图”。
临床应用潜力
在药物靶点筛选中，可快速鉴定药物分子对蛋白质动态构象的调控作用，加速创新药研发。
沃特世离子淌度质谱介绍
灵活非凡，探索无限
在科研领域，研究进展缓慢和成本不断上升俨然已成为一项挑战。SYNAPT XS质谱仪是沃特世推出的一套全方位的高性能LC-MS解决方案，不仅克服了竞争对手系统为人诟病的入口选项限制、扫描功能限制或多平台需求，还具有出众的灵活性，可提供更大的分析选择自由度，支持任何应用的科学创新和技术成功。
发挥无限潜力，让研究永无止境
作为集思广益、通力合作的成果，SELECT SERIES Cyclic IMS融合了创新的环形离子淌度质谱分离技术与前沿的高性能飞行时间质谱技术，可助力高水平科研人员在科学探索过程中解锁更多可能性。
SELECT SERIES Cyclic IMS可基于质荷比和离子淌度两项参数来选择离子，这项环形离子淌度（cIM）特有的关键功能在学术界和工业界的研究中展现了出众的灵活性和强大的能力。借助离子淌度和质谱分析，您可以按形状以及m/z分离异构体，测量离子的碰撞截面（CCS），并获得明显更干净的质谱数据。
南开大学化学学院2022级博士研究生刘军为该文第一作者，李功玉研究员为本文通讯作者。RapiBOX-IM-MS平台不仅突破了复杂生物样品直接质谱分析的技术瓶颈，更为解析细胞原本环境下的蛋白质相互作用和构象动态提供了强有力的工具。这项技术为未来的结构生物学研究开辟了新窗口，特别是在解析天然无序蛋白的致病机理、筛选针对蛋白质动态构象的药物分子，以及迈向单细胞结构蛋白质组学分析等方面，展现出巨大的应用潜力。
从“看得见”到“看得清”，再到“看得快”，RapiBOX-IM-MS与SYNAPT的融合，标志着质谱技术正式迈入“动态时代”。这一中国科研团队与出类拔萃的仪器“强强联合”，正在为生命科学揭开更多未知的奥秘。
论文信息
Time‐Resolved In‐Cell Protein Interactions and Structural Dynamics via Rapid Buffer Online Exchange-Ion Mobility-Mass Spectrometry
Jun Liu, Xiaoli Wang, Xiangjun Si, Rui Zhao, Weida Qin, and Gongyu Li*
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e18076
点击“阅读原文”查看论文原文。
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