分子能量機器,揭示了細胞膜的能量產生機制!

分子能量機器,揭示了細胞膜的能量產生機制!Paul Scherrer Institute PSI的科學家利用瑞士光源SLS記錄了一個正在運行的分子能量機器,從而揭示了細胞膜的能量產生機制。為此開發了一種新研究方法,可以使細胞過程的分析比以前有效得多,現在已經在《科學》上發表了其研究成果。在所有生物中,蛋白質結構變化負責許多生物化學控制的功能,例如細胞膜的能量產生。

蛋白質細菌或視紫紅質存在於生活在湖泊、溪流和其他水體表面的微生物中。在陽光的刺激下,這種分子將帶正電荷的粒子(質子)從內到外泵入細胞膜。在此過程中,它不斷地改變其結構。PSI科學家已經能夠在自由電子x射線雷射器(FELs)上闡明這一過程的一部分。現在還成功地用分子電影的形式記錄了這個過程中未知的部分。為此,採用了一種以前只能在FELs使用的方法,並進一步開發了瑞士光源SLS使用的方法。

該研究強調了PSI這兩個大型研究機構的分析選擇之間的協同作用。有了SLS的新方法,現在可以跟蹤細菌或視紫紅質運動的最後一部分,其步驟在毫秒範圍內。通過在美國和日本FELs的測量,已經在瑞士投入使用之前測量了前兩個子過程。過程發生得非常快,在飛秒到微秒之間。為了能夠觀察這些過程,研究人員使用了所謂的“泵探針”晶體學。用這種方法,可以拍攝蛋白質運動的快照,然後將其組裝成電影。

在實驗中,蛋白質被製成晶體,雷射束模仿陽光,觸發蛋白質的一系列運動。撞擊樣本的x射線隨後產生衍射圖像,這些圖像被高分辨率的探測器記錄下來。從這些圖像中,計算機生成了蛋白質結構在每個時間點的圖像。根據SLS的測量數據製作電影顯示了細菌或視紫紅質分子,在被光激活後的200毫秒內的結構變化。這樣,一個完整的所謂的分子“光周期”就被闡明了。細菌視紫紅質是一種生物機器,它將質子從細胞內部通過細胞膜泵入細胞外。

這就在細胞膜上產生了濃度梯度,在外層,質子數比內部多。細胞利用這種梯度,通過允許其他地方質子平衡外部和內部不同濃度的質子,從而為新陳代謝獲得能量。在此過程中,細胞產生ATP,這是生物的一種普遍能量來源,隨後,細菌或視紫紅質恢復濃度梯度。在這項新研究中,現在能夠看到一個分子有史以來最大的實時結構變化——科學家所說的“大”是指9埃,也就是人類頭髮厚度的百萬分之一。

通過這些結構上的改變,形成水分子鏈的蛋白質上出現了一個缺口,而這個缺口負責質子在細胞膜上的傳輸。在此研究之前,沒有人直接觀察過這條水鏈。這些觀測之所以成為可能,是因為之前在瑞士fel使用的方法經過了修改,用於SLS,並得益於SLS新的高分辨率和快速的“Eiger”探測器。利用類似SLS的同步加速器進行研究的新方法將在世界範圍內激發研究。

研究人員可以使用這種新方法,而且會變得更有效率,因為全世界同步加速器的數量比自由電子雷射器多得多。除此之外,需要的蛋白質晶體比在FELs實驗中需要的要少。光周期開始時的過程發生在幾飛秒內,只有在FELs上才能觀察到如此快速的化學反應。此外,結構可以記錄在FELs具有更高的分辨率。由於如此多的光子同時擊中線性加速器的樣品,探測器可以捕捉到非常清晰的圖像。

博科園|研究/來自:Paul Scherrer Institute

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aaw8634

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