Используя новые мощные инструменты, ученые из центра RIKEN SPring-8 и их сотрудники продемонстрировали, как бактериородопсин, «протонный насос», использует свет для переноса протонов через клеточную мембрану, создавая разность зарядов, которую можно использовать для активировать деятельность клетки.
Бактериородопсин - это белок, который поглощает свет и переносит протоны через клеточные мембраны - ключевая функция биологических систем. Но ученые давно задавались вопросом, как он это делает и как может толкать протоны в одном направлении, изнутри клетки наружу.
Чтобы выяснить это, ученые обратились к SACLA, мощному рентгеновскому лазеру, который производит лучи в миллион раз ярче, чем обычные синхротронные установки. Эти рентгеновские лучи можно использовать для определения структуры белков и других молекул, прошедших через луч. Однако из-за такой силы луча образец мгновенно испаряется, поэтому важно получить изображения до того, как он будет разрушен. Этот прием известен как «дифракция перед разрушением».
Для текущего исследования команда использовала технику, известную как последовательная фемтосекундная кристаллография с временным разрешением, где они сделали тысячи изображений бактериородопсина в различные моменты времени после того, как на него попал свет, на основе «насоса-зонда». метод. Собрав все это вместе, они смогли собрать воедино историю о том, как мембранный белок способен перемещать протоны против градиента в более положительно заряженную среду вне клетки, создавая заряд, подобный батарее, которую можно использовать для питания химических реакций..
Говорит Эрико Нанго, первый автор исследования, опубликованного в журнале Science: «С помощью этой работы мы смогли пролить свет на механизм переноса протона и положить конец давнему спору о механизме. Фотовозбуждение приводит к изменению конформации в сетчатке, ключевой части бактериородопсина, поглощающей свет, что, в свою очередь, приводит к смещению аминокислотных остатков над сетчаткой в сторону цитоплазмы, и в этом пространстве появляется временная вода, способствующая поглощению света. первичный перенос протона. После этого тонкий молекулярный каскад не дает протону двигаться назад, и он выталкивается за пределы клетки».
Исследования с использованием предыдущих методов выявили многие этапы, но из-за подозрений, что само излучение может вызывать изменения, было невозможно окончательно показать точный механизм. С помощью новой техники группа, наконец, определила это.
По словам Со Иваты, возглавлявшего команду, «новые методы с использованием мощных рентгеновских лазеров дают нам представление о том, как именно такие процессы, как протонная накачка, происходят в реальных биологических системах. Это даст нам гораздо лучшее понимание этих действий и, в конечном счете, приведет к пониманию, которое позволит нам более эффективно манипулировать ими».