生物膜是生命系统的重要组成部分，承担物质运输，信号传递和能量转换等重要作用。膜蛋白和磷脂膜的相互作用一直是及其重要的课题。高时间分辨率研究不仅深化对生物膜功能的分子机制理解，还为疾病治疗应用提供重要指导。膜蛋白于磷脂膜相互作用的高分辨率实时测量，一直是一个重要又极具挑战性的问题。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室SM4组多年来致力于研究膜蛋白于磷脂膜的相互作用，发展了一系列实时观测膜上蛋白动态的技术，包括适用平面膜的表面诱导荧光衰逝（SIFA）技术（Nat. Commun. 7: 12906,2016），适用囊泡系统的脂质体包裹淬灭剂（LipoFRET）技术等，并在膜蛋白与磷脂膜的相互作用机制的研究方面取得了系列成果。

　　近日，他们开发了一种逐光子的变分贝叶斯隐马尔可夫模型，首次实现对单个蛋白质在磷脂膜内亚毫秒级状态跃迁的实时追踪。该方法通过优化荧光寿命分析算法，仅需数十个光子即可准确判定分子状态，将膜上分子动态探测的时间分辨率提升至1毫秒以内，远超传统显微镜技术（>10毫秒）的极限。该团队利用该技术研究抗菌肽LL-37在脂质膜中的非平衡动力学，发现不饱和键的直接作用机制，证明不饱和键密度直接参与肽-膜相互作用，而非仅调节流动性。该方法可拓展至FRET、PIFE等多种荧光技术，为研究蛋白折叠、DNA修复等亚毫秒过程提供新工具。

　　该工作以“Photon-by-Photon Fluorescence Lifetime Analysis of Within-Burst State Transitions of Single Proteins in Lipid Membranes”为题发表于Journal of the American Chemical Society 【2025，147，28552-28557】。物理研究所博士生王浩和博士后付航为共同第一作者，中科院物理所软物质物理实验室李明研究员和陆颖研究员为本文的共同通讯作者。此工作得到了国家重点研发计划（2019YFA0709304）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0480000）、中国科学院青年科学家基础研究项目（YSBR-104）、国家自然科学基金（T2221001、32171228、32471278）、以及中国博士后科学基金（2024M763506）的支持。

图. LL-37的非平衡态膜插膜动力学。(a) DOPC/DOPA磷脂膜上LL-37的逐光子信号及由此推导的寿命轨迹。寿命变化反映肽在膜内的位置迁移。(b) 膜插入过程机制示意图。LL-37 N端在双键附近形成瞬态中间态，逐步插入疏水核心。(c) POPC/POPA膜中的爆发信号与寿命轨迹。与DOPC/DOPA相比，饱和度更高的酰基链导致瞬态驻留时间降低。(d) LL-37在不同磷脂膜中的跃迁速率对比。