分子能量机器，揭示了细胞膜的能量产生机制！Paul Scherrer Institute PSI的科学家利用瑞士光源SLS记录了一个正在运行的分子能量机器，从而揭示了细胞膜的能量产生机制。为此开发了一种新研究方法，可以使细胞过程的分析比以前有效得多，现在已经在《科学》上发表了其研究成果。在所有生物中，蛋白质结构变化负责许多生物化学控制的功能，例如细胞膜的能量产生。
蛋白质细菌或视紫红质存在于生活在湖泊、溪流和其他水体表面的微生物中。在阳光的刺激下，这种分子将带正电荷的粒子(质子)从内到外泵入细胞膜。在此过程中，它不断地改变其结构。PSI科学家已经能够在自由电子x射线激光器(FELs)上阐明这一过程的一部分。现在还成功地用分子电影的形式记录了这个过程中未知的部分。为此，采用了一种以前只能在FELs使用的方法，并进一步开发了瑞士光源SLS使用的方法。
该研究强调了PSI这两个大型研究机构的分析选择之间的协同作用。有了SLS的新方法，现在可以跟踪细菌或视紫红质运动的最后一部分，其步骤在毫秒范围内。通过在美国和日本FELs的测量，已经在瑞士投入使用之前测量了前两个子过程。过程发生得非常快，在飞秒到微秒之间。为了能够观察这些过程，研究人员使用了所谓的“泵探针”晶体学。用这种方法，可以拍摄蛋白质运动的快照，然后将其组装成电影。
在实验中，蛋白质被制成晶体，激光束模仿阳光，触发蛋白质的一系列运动。撞击样本的x射线随后产生衍射图像，这些图像被高分辨率的探测器记录下来。从这些图像中，计算机生成了蛋白质结构在每个时间点的图像。根据SLS的测量数据制作电影显示了细菌或视紫红质分子，在被光激活后的200毫秒内的结构变化。这样，一个完整的所谓的分子“光周期”就被阐明了。细菌视紫红质是一种生物机器，它将质子从细胞内部通过细胞膜泵入细胞外。
这就在细胞膜上产生了浓度梯度，在外层，质子数比内部多。细胞利用这种梯度，通过允许其他地方质子平衡外部和内部不同浓度的质子，从而为新陈代谢获得能量。在此过程中，细胞产生ATP，这是生物的一种普遍能量来源，随后，细菌或视紫红质恢复浓度梯度。在这项新研究中，现在能够看到一个分子有史以来最大的实时结构变化——科学家所说的“大”是指9埃，也就是人类头发厚度的百万分之一。
通过这些结构上的改变，形成水分子链的蛋白质上出现了一个缺口，而这个缺口负责质子在细胞膜上的传输。在此研究之前，没有人直接观察过这条水链。这些观测之所以成为可能，是因为之前在瑞士fel使用的方法经过了修改，用于SLS，并得益于SLS新的高分辨率和快速的“Eiger”探测器。利用类似SLS的同步加速器进行研究的新方法将在世界范围内激发研究。
研究人员可以使用这种新方法，而且会变得更有效率，因为全世界同步加速器的数量比自由电子激光器多得多。除此之外，需要的蛋白质晶体比在FELs实验中需要的要少。光周期开始时的过程发生在几飞秒内，只有在FELs上才能观察到如此快速的化学反应。此外，结构可以记录在FELs具有更高的分辨率。由于如此多的光子同时击中线性加速器的样品，探测器可以捕捉到非常清晰的图像。
博科园｜研究/来自：Paul Scherrer Institute
参考期刊《科学》
DOI: 10.1126/science.aaw8634
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