通過時(shí)間分辨串行晶體學(xué)捕獲的光活性氯化物泵送通過細(xì)胞膜：氯化物離子（綠色球體）通過 NmHR 氯化物泵（粉紅色）傳輸穿過細(xì)胞膜。來源：紀(jì)堯姆·哥達(dá)、桑德拉·穆斯

分子電影第一次詳細(xì)記錄了陰離子通過光燃料蛋白質(zhì)泵穿過細(xì)胞膜的過程。發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究人員揭開了光能如何啟動(dòng)泵送過程的奧秘，以及大自然如何確保沒有陰離子泄漏到外部。

許多細(xì)菌和單細(xì)胞藻類的細(xì)胞膜中都有光驅(qū)動(dòng)泵：蛋白質(zhì)在暴露于光子時(shí)會(huì)改變形狀，從而可以將帶電原子運(yùn)入或運(yùn)出細(xì)胞。多虧了這些泵，它們的單細(xì)胞所有者可以適應(yīng)環(huán)境的 pH 值或鹽度。

一種這樣的細(xì)菌是Nonlabens marinus，于 2012 年首次在太平洋發(fā)現(xiàn)。其中，它的細(xì)胞膜中含有一種視紫紅質(zhì)蛋白，可將氯離子從細(xì)胞外輸送到細(xì)胞內(nèi)。就像在人眼中一樣，與蛋白質(zhì)結(jié)合的視網(wǎng)膜分子在暴露于光時(shí)會(huì)發(fā)生異構(gòu)化。這種異構(gòu)化啟動(dòng)了泵送過程。研究人員現(xiàn)在詳細(xì)了解了Nonlabens marinus中的氯化物泵的工作原理。

該研究由 Przemyslaw Nogly 領(lǐng)導(dǎo)，他曾是 PSI 的博士后，現(xiàn)在是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Ambizione 研究員和小組負(fù)責(zé)人。他和他的團(tuán)隊(duì)在 PSI 的兩個(gè)大型研究設(shè)施瑞士光源SLS和 X 射線自由電子激光器 SwissFEL 上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在 SLS 通過時(shí)間分辨串行晶體學(xué)研究了毫秒范圍內(nèi)較慢的動(dòng)力學(xué)，而在 SwissFEL 捕獲了更快（高達(dá)皮秒）的事件 - 然后將兩組數(shù)據(jù)放在一起。

粉紅色晶體揭示了氯離子在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制：使用時(shí)間分辨系列晶體學(xué)，粉紅色 NmHR 晶體揭示了氯離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的離子結(jié)合位點(diǎn)和光活化后的泵送動(dòng)力學(xué)。這使研究人員能夠破譯氯化物的運(yùn)輸機(jī)制。學(xué)分：桑德拉·穆斯

“在一篇論文中，我們利用兩個(gè)最先進(jìn)的設(shè)施的優(yōu)勢(shì)來講述這種氯化物泵的全部故事，”Nogly 說。該研究的合著者 J?rg Standfuss 建立了一個(gè)致力于創(chuàng)建此類分子電影的 PSI 團(tuán)隊(duì)，他補(bǔ)充說：“這種組合能夠?qū)崿F(xiàn)一流的生物學(xué)研究，而這在世界上除了 PSI 之外的極少數(shù)其他地方是可能的?！?/p>

無回流

新發(fā)現(xiàn)： 焊接殘余應(yīng)力測(cè)試值超過材料屈服強(qiáng)度怎么取值？

正如研究表明的那樣，氯陰離子被Nonlabens marinus細(xì)胞膜中帶正電的視紫紅質(zhì)蛋白片所吸引。在這里，陰離子進(jìn)入蛋白質(zhì)并最終與內(nèi)部視網(wǎng)膜分子的正電荷結(jié)合。當(dāng)視黃醛因光照而異構(gòu)化并翻轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)拖動(dòng)氯陰離子，從而將其運(yùn)輸?shù)降鞍踪|(zhì)內(nèi)部更遠(yuǎn)的位置?！斑@就是光能直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的方式，觸發(fā)了離子傳輸?shù)牡谝徊?，”Nogly 小組的博士生、該論文的第一作者 Sandra Mous 說。

現(xiàn)在在視黃醛分子的另一邊，氯離子已經(jīng)到了不歸路的地步。從這里開始，它只會(huì)在牢房?jī)?nèi)走得更遠(yuǎn)。當(dāng)氯化物移動(dòng)時(shí)，氨基酸螺旋也會(huì)松弛，另外阻礙了返回外部的通道?！霸谶\(yùn)輸過程中，兩個(gè)分子門因此確保氯化物只向一個(gè)方向移動(dòng)：內(nèi)部，”諾格利說。一個(gè)泵送過程總共需要大約 100 毫秒。

兩年前，J?rg Standfuss、Przemyslaw Nogly 和他們的團(tuán)隊(duì)揭示了另一種光驅(qū)動(dòng)細(xì)菌泵的機(jī)制：Krokinobacter eikastus的鈉泵。研究人員渴望發(fā)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)泵的細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)是有價(jià)值的光遺傳學(xué)工具：通過基因工程改造到哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中，它們可以通過光控制神經(jīng)元的活動(dòng)，從而研究它們的功能。

VMB2200DF研究用三目相襯顯微鏡

參考文獻(xiàn)：

Sandra Mous、Guillaume Gotthard、David Ehrenberg、Saumik Sen、Tobias Weinert、Philip JM Johnson、Daniel James、Karol Nass、Antonia Furrer、Demet Kekilli、Pikyee Ma、Steffen 撰寫的“光驅(qū)動(dòng)氯化物泵的動(dòng)力學(xué)和機(jī)制”布倫勒、塞西莉亞·瑪麗亞·卡薩戴伊、伊莎貝爾·馬蒂爾、弗洛里安·德沃沃夫斯基、達(dá)丹·加什、彼得·斯科賓采夫、馬克西米利安·弗蘭尼克、格雷戈?duì)枴た酥Z普、埃澤奎爾·帕內(nèi)普奇、瓦萊麗·帕內(nèi)爾斯、克勞迪奧·西雷利、德米特里·奧澤羅夫、格布哈德·舍特勒、王美天、克里斯·米爾恩、約爾格·斯坦德福斯、伊戈?duì)枴は钠ち_, Joachim Heberle 和 Przemyslaw Nogly，2022 年 2 月 3 日，《科學(xué)》。
DOI：10.1126/science.abj6663

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