Science：揭示一种细菌光驱动氯离子泵的作用机制

2022年2月6日讯/生物谷BIOON/---许多细菌和单细胞藻类的细胞膜上有称为光驱动泵的蛋白：当暴露在光子下时，它们会改变形状，从而可以将带电的原子运进或运出细胞。多亏这些光驱动泵，拥有它们的单细胞可以适应环境的pH值或盐度。

Nonlabens marinus就是这样一种细菌，它于2012年首次在太平洋中发现。它的细胞膜上有一种视紫红质（rhodopsin）蛋白，可以将氯离子从细胞外输送到细胞内。就像在人眼里一样，当暴露在光线下时，与这种蛋白结合的视黄醛分子会发生异构化。这种异构化启动了这种泵送过程。

如今，在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和保罗谢勒研究所等研究机构的研究人员对Nonlabens marinus的氯离子泵如何发挥作用有了详细的了解。相关研究结果于2022年2月3日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Dynamics and mechanism of a light-driven chloride pump”。论文通讯作者为苏黎世联邦理工学院的Przemyslaw Nogly博士。

Nogly和他的团队在保罗谢勒研究所的两个大型研究设施--瑞士光源SLS和X射线自由电子激光器SwissFEL---上进行了实验。基于瑞士光源SLS的时间分辨串行晶体学研究了毫秒范围内的较慢的动力学，而在SwissFEL捕捉到了较快的最高达皮秒的事件，然后将这两组数据组合在一起。

Nogly说，“在这篇论文中，我们利用了两个最先进的设施的优势来讲述这种氯离子泵的完整故事。”

没有倒流

正如这项研究所揭示的那样，氯离子被Nonlabens marinus细胞膜上视紫红质的带正电荷口袋（positively charged patch）所吸引。在那里，氯离子进入这种蛋白，最后与它里面的视黄醛分子的正电荷结合。当视黄醛因光照射而发生异构化并翻转时，它拖着氯离子移动，从而将氯离子输送到这种蛋白内部更远的地方。论文第一作者、Nogly团队博士生Sandra Mous说，“这就是光能直接转化为动能的方式，触发了这种离子运输的第一步。”

泵送离子的细菌视紫红质，图片来自Frontiers in Molecular Biosciences, 2015, doi:10.3389/fmolb.2015.00052。

如今在视黄醛分子的另一侧，氯离子已达到了不可逆转的地步。从这里开始，它只能进一步进入细胞内部。当氯离子沿途移动时，这种蛋白的一个氨基酸螺旋结构也会放松，从而进一步阻止氯离子返回外部的通道。Nogly说，“在这个运输过程中，两个分子门确保氯离子只向一个方向移动，即向内部移动。”一个泵送过程总共需要大约100毫秒。

两年前，Nogly、论文共同作者Jörg Standfuss和他们的团队揭示了另一种细菌光驱动泵--- Krokinobacter eikastus的钠泵---的作用机制。这些作者渴望发现光驱动泵的细节，因为这些蛋白是有价值的光遗传学工具：通过基因工程将它们递送到哺乳动物的神经元中，它们使得通过光控制神经元的活动从而研究其功能成为可能。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sandra Mous et al. Dynamics and mechanism of a light-driven chloride pump. Science, 2022, doi:10.1126/science.abj6663.