Science：利用三維結構變化揭示細菌視紫紅質工作機制

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在一項新的研究中，利用強大的新工具，來自日本、法國、瑞典、瑞士、韓國和德國的研究人員展示了作為一種質子泵，細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）如何利用光線讓質子跨過細胞膜，從而產生能夠被用來驅動細胞活動的電荷差異。相關研究結果發表在2016年12月23日那期Science期刊上，論文標題為「A three-dimensional movie of structural changes in bacteriorhodopsin」。

細菌視紫紅質是一種吸收光線並且進行質子跨細胞膜運輸的蛋白---生物系統中的一種關鍵功能。但是科學家們長期以來想要知道它是如何做到這點的，而且它如何推動質子進行單方向運輸：從細胞內部運輸到細胞外面。

為此，研究人員尋求SACLA---一種強大的X射線激光，產生的射線要比常規的同步輻射裝置發出的光線明亮1百萬倍---的幫助。這些X射線能夠被用來確定蛋白和其他分子的結構。然而，鑒於這種射線如此之強，它快速地讓樣品蒸發，因此在它破壞分子的結構之前獲得它們的三維圖像是比較重要的，即「在破壞前進行衍射（diffraction before destruction）」。

在當前的這項研究中，研究人員採用了一種被稱作時間分辨串列飛秒晶體學（time-resolved serial femtosecond crystallography）的技術：他們基於一種泵浦-探測方法（pump-probe method），在細菌視紫紅質被光線照射後，在多個時間點上獲得上千張細菌視紫紅質的結構圖片。當將這些圖片結合在一起時，他們能夠揭示出這種細胞膜蛋白如何能夠逆著電荷梯度將質子轉運到細胞外面帶更多正電荷的環境中，從而像電池那樣產生能夠被用來驅動化學反應的電荷差異。

論文第一作者、日本理化學研究所SPring-8中心科學家Eriko Nango說，「在這項研究中，我們能夠揭示質子轉移機制，從而終結關於這個機制的長期爭論。這種光激發導致視黃醛---吸收光線的細菌視紫紅質中的一個關鍵部分---發生構象變化。這接著導致視黃醛上方的氨基酸殘基移向細胞質中，水分子短暫地出現在那個空間中來協助主要的質子轉移。在此之後，一系列微妙的分子級聯事件阻止質子向後移動，因而推動質子轉移到細胞外面。」

利用之前的方法開展的研究已鑒定出其中的很多步驟，但是因為猜測光線照射本身可能導致這些變化，決定性地揭示這種準確的機制是不可能的。利用這種新的技術，研究人員最終確切地證實了這種機制。

根據領導這項研究的So Iwata的說法，「採用強大的X射線激光的新技術正讓人們準確地認識質子轉移等過程在真實的生物系統如何發生。這將讓我們更加深刻地理解這些過程的作用機制，從而最終導致人們更加有效地操縱它們。」

doi:10.1126/science.aah3497

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