通过时间分辨系列结晶学捕获的光活性氯离子泵浦细胞膜:氯离子(绿色球体)通过NmHR氯离子泵浦(粉色)穿越细胞膜。图片来源:纪尧姆·戈塔，桑德拉·莫斯
分子膜首次详细记录了阴离子通过光驱动蛋白泵穿越细胞膜的过程。研究人员在《科学》杂志上发表文章，揭示了光能如何启动泵浦过程的奥秘，以及大自然如何确保外面没有阴离子泄漏。
许多细菌和单细胞藻类的细胞膜上都有光驱动的泵:这种蛋白质在暴露在光子下时会改变形状，这样它们就可以将带电原子运入或运出细胞。多亏了这些泵，它们的单细胞主人能够适应环境的pH值或盐度。
其中一种细菌是2012年在太平洋首次发现的非labens marinus。其中，它的细胞膜上有一种视紫红质蛋白，可以将氯离子从细胞外运输到细胞内。就像在人眼中一样，与蛋白质结合的视网膜分子在光照下会异构化。这种异构化开始抽吸过程。研究人员现在对非labens marine中的氯泵是如何工作的有了详细的了解。
这项研究是由Przemyslaw Nogly领导的他是PSI的博士后，现在是ETH的Ambizione研究员和组长Zürich。他和他的团队在PSI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——进行了联合实验。在SLS中，通过时间分辨的串行结晶学研究毫秒范围内的较慢动态，而在SwissFEL中捕捉到的事件更快，最高可达皮秒，然后将两组数据放在一起。
粉色晶体揭示了氯离子在细胞膜上的转运机制:使用时间分辨序列结晶学，粉色NmHR晶体揭示了氯离子转运体中的离子结合位点和光活化后的泵送动力学。这使得研究人员能够破译氯离子的转运机制。信贷:桑德拉备忘录
诺格利说:“在一篇论文中，我们利用了两个最先进的设备的优势来讲述这个氯泵的完整故事。”Jörg Standfuss是该研究的合著者，他建立了一个PSI团队，致力于创造这样的分子电影，他补充说:“这种组合使一流的生物研究成为可能，这在世界上只有在PSI之外的其他地方才有可能。”
没有回流
研究表明，氯阴离子被非labens marinus细胞膜中rhodopsin蛋白带正电荷的斑块所吸引。在这里，阴离子进入蛋白质，最后在视网膜分子内与正电荷结合。当视网膜因光线照射而异构化并翻转时，它会拖着氯离子向前移动，从而将氯离子更深入蛋白质内部。“这就是光能直接转化为动能的方式，触发了离子运输的第一步，”桑德拉·莫斯说，她是诺格里小组的博士生，也是这篇论文的第一作者。
现在在视网膜分子的另一边，氯离子已经到达了不可逆转的地步。从这里开始，它只进入细胞内部。当氯离子移动时，氨基酸螺旋也会放松，另外还会阻碍到外面的通道。“在运输过程中，两个分子门确保氯只向一个方向移动:在内部，”诺格利说。一个抽运过程总共需要大约100毫秒。
两年前，Jörg Standfuss, Przemyslaw Nogly和他们的团队解开了另一个光驱动细菌泵的机制:Krokinobacter eikastus的钠泵。研究人员渴望发现光驱动泵的细节，因为这些蛋白质是有价值的光遗传学工具:通过基因改造进入哺乳动物的神经元，它们使用光控制神经元活动成为可能，从而研究它们的功能。
参考:“轻型驱动氯离子泵的动力学和机理”，作者:Sandra Mous, Guillaume Gotthard, David Ehrenberg, Saumik Sen, Tobias Weinert, Philip J. M. Johnson, Daniel James, Karol Nass, Antonia Furrer, Demet Kekilli, Pikyee Ma, Steffen Brünle, Cecilia Maria Casadei, Isabelle Martiel, Florian Dworkowski, Dardan Gashi, Petr Skopintsev，Maximilian Wranik, Gregor Knopp, Ezequiel Panepucci, Valerie Panneels, Claudio Cirelli, Dmitry Ozerov, Gebhard Schertler, Meitian Wang, Chris Milne, Joerg Standfuss, Igor Schapiro, Joachim Heberle和Przemyslaw Nogly, Science, 2022年2月3日。DOI: 10.1126 / science.abj6663
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