分子能量机器揭示细胞膜的能量产生机制！保罗谢勒研究所PSI的科学家利用瑞士光源SLS记录了运行中的分子能量机器，从而揭示了细胞膜的能量产生机制。为此，开发了一种新的研究方法，可以使细胞过程的分析比以前更有效，现在已将其研究成果发表在《科学》杂志上。在所有生物体中，蛋白质结构的变化负责许多生化控制的功能，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。在阳光的刺激下，这种分子将带正电的粒子（质子）从内到外泵入细胞膜。在这个过程中，它不断地改变它的结构。 PSI 科学家已经能够在自由电子 X 射线激光器 (FEL) 上阐明这一过程的一部分。现在它已经成功地以分子电影的形式记录了这个过程的未知部分。为此，采用了以前只能用于 FEL 的方法，并进一步开发了瑞士光源 SLS 使用的方法。

该研究强调了两个 PSI 协同作用在两个大型研究机构的分析选择之间。使用 SLS 的新方法，现在可以在毫秒范围内逐步跟踪细菌或视紫红质运动的最后一部分。通过在美国和日本对FELs的测量，前两个子流程在瑞士投入使用之前已经进行了测量。该过程发生得非常快，介于飞秒和微秒之间。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。通过这种方式，可以拍摄蛋白质运动的快照，然后组装成电影。

在实验中，蛋白质是当晶体形成时，激光束会模拟阳光并触发一系列蛋白质运动。撞击样品的 X 射线会产生衍射图像，由高分辨率探测器记录。从这些图像中，计算机生成了每个时间点的蛋白质结构图像。根据 SLS 测量数据制作的电影展示了细菌或视紫红质分子在被光激活后 200 毫秒内的结构变化。这样，一个完整的所谓分子“光周期”就明确了。细菌视紫红质是一种生物机器，可将质子从细胞内部通过细胞膜泵送到细胞外部。

这是在细胞膜上产生的在浓度梯度中，外层的质子比内层的质子多。细胞利用这种梯度通过允许其他地方的质子平衡外部和内部质子的不同浓度来获得代谢能量。在这个过程中，细胞产生ATP，ATP是生物的常见能量来源，然后细菌或视紫质恢复浓度梯度。在这项新研究中，现在可以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，是人类头发厚度的百万分之一。

通过这些结构变化，有形成水分子链的蛋白质中的间隙，该间隙负责质子在细胞膜上的传输。在这项研究之前，没有人直接观察到这条水链。这些观测结果之所以成为可能，是因为之前在瑞士 Fel 使用的方法已针对 SLS 进行了修改，这要归功于 SLS 的新型高分辨率和快速“艾格”探测器。使用类似于 SLS 的同步加速器的新研究方法将刺激全世界的研究。

研究人员可以使用这种新方法，它会变得更有效率，因为世界上的同步加速器比自由电子激光器多得多。此外，与 FEL 实验相比，需要的蛋白质晶体更少。光周期开始时的过程发生在几飞秒内，这种快速的化学反应只能在 FEL 上观察到。此外，结构可以以更高分辨率记录在 FEL 中。由于这么多光子同时撞击直线加速器的样品，探测器可以捕捉到非常清晰的图像。

博客园｜研究/来自：保罗Scherrer Institute

参考期刊《Science》

DOI: 10.1126/

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