分子电影揭示了如何让氯离子进入细胞
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通过时间分辨串行晶体学捕获的光活性氯化物泵送通过细胞膜：氯化物离子（绿色球体）通过 NmHR 氯化物泵（粉红色）传输穿过细胞膜。来源：纪尧姆·哥达、桑德拉·穆斯
分子电影第一次详细记录了阴离子通过光燃料蛋白质泵穿过细胞膜的过程。发表在《科学》杂志上的研究人员揭开了光能如何启动泵送过程的奥秘，以及大自然如何确保没有阴离子泄漏到外部。
许多细菌和单细胞藻类的细胞膜中都有光驱动泵：蛋白质在暴露于光子时会改变形状，从而可以将带电原子运入或运出细胞。多亏了这些泵，它们的单细胞所有者可以适应环境的 pH 值或盐度。
一种这样的细菌是Nonlabens marinus，于 2012 年首次在太平洋发现。其中，它的细胞膜中含有一种视紫红质蛋白，可将氯离子从细胞外输送到细胞内。就像在人眼中一样，与蛋白质结合的视网膜分子在暴露于光时会发生异构化。这种异构化启动了泵送过程。研究人员现在详细了解了Nonlabens marinus中的氯化物泵的工作原理。
该研究由 Przemyslaw Nogly 领导，他曾是 PSI 的博士后，现在是苏黎世联邦理工学院的 Ambizione 研究员和小组负责人。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 上进行了实验。在 SLS 通过时间分辨串行晶体学研究了毫秒范围内较慢的动力学，而在 SwissFEL 捕获了更快（高达皮秒）的事件 - 然后将两组数据放在一起。
粉红色晶体揭示了氯离子在细胞膜上转运的机制：使用时间分辨系列晶体学，粉红色 NmHR 晶体揭示了氯离子转运蛋白中的离子结合位点和光活化后的泵送动力学。这使研究人员能够破译氯化物的运输机制。来源：桑德拉·穆斯
“在一篇论文中，我们利用两个最先进的设施的优势来讲述这种氯化物泵的全部故事，”Nogly 说。该研究的合著者 Jörg Standfuss 建立了一个致力于创建此类分子电影的 PSI 团队，他补充说：“这种组合能够实现一流的生物学研究，而这在世界上除了 PSI 之外的极少数其他地方是可能的。”
无回流
正如研究表明的那样，氯阴离子被Nonlabens marinus细胞膜中带正电的视紫红质蛋白片所吸引。在这里，阴离子进入蛋白质并最终与内部视网膜分子的正电荷结合。当视黄醛因光照而异构化并翻转时，它会拖动氯阴离子，从而将其运输到蛋白质内部更远的位置。“这就是光能直接转化为动能的方式，触发了离子传输的第一步，”Nogly 小组的博士生、该论文的第一作者 Sandra Mous 说。
现在在视黄醛分子的另一边，氯离子已经到了不归路的地步。从这里开始，它只会在牢房内走得更远。当氯化物移动时，氨基酸螺旋也会松弛，另外阻碍了返回外部的通道。“在运输过程中，两个分子门因此确保氯化物只向一个方向移动：内部，”诺格利说。一个泵送过程总共需要大约 100 毫秒。
两年前，Jörg Standfuss、Przemyslaw Nogly 和他们的团队揭示了另一种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：通过基因工程改造到哺乳动物神经元中，它们可以通过光控制神经元的活动，从而研究它们的功能。