细菌视紫红质Bacteriorhodopsin（bR）是嗜盐杆菌细胞膜上充当能量转换开关的跨膜蛋白，通过其质子泵功能可实现从光能到化学能的转换。自1975年首次获得晶体结构以来，随着技术的发展，bR的结构解析越来越精细。但由于测量方法的不同，bR的结构，特别是其在非螺旋区的结构，不同方法存在很大不同。此外，bR的细胞质侧和细胞外侧表面结构动力学对光循环中质子的释放和摄取至关重要。传统的生物物理学手段，包括电子和X射线晶体学，对刚性的膜蛋白结构比较敏感，对于超快的结构过程，这两者都缺乏足够的时间分辨率。此外，实验上很难实现在合理的时间和空间分辨率下直接探测构象的快速动态转换。二维红外光谱方法由于具有亚皮秒的时间分辨率和化学键结构分辨率，可以揭示分子的动态结构分布及其动力学。因此，发展基于二维红外光谱的新方法有望解决bR结构领域的这些挑战性问题。  

在国家自然科学基金委的大力支持下，化学所分子反应动力学实验室王建平课题组与华东师范大学大学的合作者通过生物合成的方法对bR上的赖氨酸进行了¹³C，¹⁵N同位素标记，创建了一个位点特异性的酰胺-I波段振动特征（骨架羰基的振动）网络来识别标记残基对酰胺-I带的激子能带结构的频率贡献，指认了红外差谱中酰胺-I带高频1693 cm^–1的吸收为来自赖氨酸K159的骨架羰基，并通过局部结构和动力学的分析，确认了K159位于一段溶剂暴露程度较高的转角结构上，该指认得到了二维核磁的支持，并且与天然紫膜中得到的电子衍射局部结构一致。从这项工作中得出的K159的局部结构特性可以用来很好地认识电子晶体学、X射线晶体学以及核磁共振所观察到的结构差异。同时，该研究强调了转角的存在有助于稳定bR中E-F螺旋之间的环带结构，从而协助E161在光循环的质子摄取过程中发挥重要作用。该研究提出了一种利用同位素标记的探针在天然状态下检测蛋白质局部结构的研究方法，为跨膜螺旋蛋白结构与功能的研究提供了新思路。相关研究成果近期发表在J. Am. Chem. Soc. （2022, 144, 22083–22092）上，第一作者为博士研究生胡溶，通讯作者为化学所王建平研究员和华东师范大学赵欣教授。 

图. 超快二维红外光谱探测同位素标记的bR的位点特异性结构和动力学