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Science:利用三维结构变化揭示细菌视紫红质工作机制

来源:生物谷 2016-12-31 15:51


2016年12月31日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,利用强大的新工具,来自日本、法国、瑞典、瑞士、韩国和德国的研究人员展示了作为一种质子泵,细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)如何利用光线让质子跨过细胞膜,从而产生能够被用来驱动细胞活动的电荷差异。相关研究结果发表在2016年12月23日那期Science期刊上,论文标题为“A three-dimensional movie of structural changes in bacteriorhodopsin”。

细菌视紫红质是一种吸收光线并且进行质子跨细胞膜运输的蛋白---生物系统中的一种关键功能。但是科学家们长期以来想要知道它是如何做到这点的,而且它如何推动质子进行单方向运输:从细胞内部运输到细胞外面。

为此,研究人员寻求SACLA---一种强大的X射线激光,产生的射线要比常规的同步辐射装置发出的光线明亮1百万倍---的帮助。这些X射线能够被用来确定蛋白和其他分子的结构。然而,鉴于这种射线如此之强,它快速地让样品蒸发,因此在它破坏分子的结构之前获得它们的三维图像是比较重要的,即“在破坏前进行衍射(diffraction before destruction)”。

在当前的这项研究中,研究人员采用了一种被称作时间分辨串行飞秒晶体学(time-resolved serial femtosecond crystallography)的技术:他们基于一种泵浦-探测方法(pump-probe method),在细菌视紫红质被光线照射后,在多个时间点上获得上千张细菌视紫红质的结构图片。当将这些图片结合在一起时,他们能够揭示出这种细胞膜蛋白如何能够逆着电荷梯度将质子转运到细胞外面带更多正电荷的环境中,从而像电池那样产生能够被用来驱动化学反应的电荷差异。

论文第一作者、日本理化学研究所SPring-8中心科学家Eriko Nango说,“在这项研究中,我们能够揭示质子转移机制,从而终结关于这个机制的长期争论。这种光激发导致视黄醛---吸收光线的细菌视紫红质中的一个关键部分---发生构象变化。这接着导致视黄醛上方的氨基酸残基移向细胞质中,水分子短暂地出现在那个空间中来协助主要的质子转移。在此之后,一系列微妙的分子级联事件阻止质子向后移动,因而推动质子转移到细胞外面。”

利用之前的方法开展的研究已鉴定出其中的很多步骤,但是因为猜测光线照射本身可能导致这些变化,决定性地揭示这种准确的机制是不可能的。利用这种新的技术,研究人员最终确切地证实了这种机制。

根据领导这项研究的So Iwata的说法,“采用强大的X射线激光的新技术正让人们准确地认识质子转移等过程在真实的生物系统如何发生。这将让我们更加深刻地理解这些过程的作用机制,从而最终导致人们更加有效地操纵它们。”(生物谷 Bioon.com)

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A three-dimensional movie of structural changes in bacteriorhodopsin

Eriko Nango1,2, Antoine Royant3,4,*, Minoru Kubo1,5,*, Takanori Nakane6, Cecilia Wickstrand7, Tetsunari Kimura1,8, Tomoyuki Tanaka1, Kensuke Tono9, Changyong Song1,10, Rie Tanaka1, Toshi Arima1, Ayumi Yamashita1, Jun Kobayashi1, Toshiaki Hosaka11, Eiichi Mizohata12, Przemyslaw Nogly13, Michihiro Sugahara1, Daewoong Nam10, Takashi Nomura1, Tatsuro Shimamura2, Dohyun Im2, Takaaki Fujiwara2, Yasuaki Yamanaka2, Byeonghyun Jeon10, Tomohiro Nishizawa5,6, Kazumasa Oda6, Masahiro Fukuda6, Rebecka Andersson7, Petra Båth7, Robert Dods7, Jan Davidsson14, Shigeru Matsuoka15, Satoshi Kawatake15, Michio Murata15, Osamu Nureki6, Shigeki Owada1, Takashi Kameshima9, Takaki Hatsui1, Yasumasa Joti9, Gebhard Schertler13,16, Makina Yabashi1, Ana-Nicoleta Bondar17, Jörg Standfuss13, Richard Neutze7,†, So Iwata1,2,†

doi:10.1126/science.aah3497

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