Как хлоридные ионы попадают в клетку
Многие бактерии и одноклеточные водоросли имеют в своих клеточных мембранах светозависимые насосы: белки, которые меняют форму под воздействием фотонов, что позволяет им транспортировать заряженные атомы внутрь или наружу клетки. Благодаря этим насосам их одноклеточные обладатели могут адаптироваться к pH или солёности окружающей среды.
Одной из таких бактерий является Nonlabens marinus, впервые обнаруженная в 2012 году в Тихом океане. В её клеточной мембране есть родопсиновый белок, который транспортирует анионы хлора (Cl⁻) извне внутрь клетки. Как и в человеческом глазу, молекула ретиналя, связанная с белком, изомеризуется под действием света. Эта изомеризация запускает процесс перекачки.
Исследователи получили детальное представление о работе этого хлоридного насоса, объединив эксперименты на двух крупных исследовательских установках PSI: Швейцарском источнике синхротронного излучения (SLS) и рентгеновском лазере на свободных электронах SwissFEL. Более медленную динамику (в миллисекундном диапазоне) изучали с помощью серийной кристаллографии с временным разрешением на SLS, а более быстрые события (вплоть до пикосекунд) фиксировали на SwissFEL, после чего оба набора данных были объединены.
«В одной статье мы используем преимущества двух современных установок, чтобы рассказать всю историю этого хлоридного насоса», — говорит руководитель исследования Пшемыслав Ногли.
Механизм без обратного тока
Исследование показало, что анион хлорида притягивается положительно заряженным участком родопсинового белка в мембране. Здесь анион входит в белок и, в конечном итоге, связывается с положительным зарядом на молекуле ретиналя внутри. Когда ретиналь изомеризуется под действием света и переворачивается, он увлекает за собой анион хлорида, транспортируя его дальше внутрь белка.
«Так световая энергия напрямую преобразуется в кинетическую, запуская самый первый этап транспорта ионов», — объясняет Сандра Муус, первый автор статьи.
Оказавшись по другую сторону молекулы ретиналя, ион хлорида достигает точки невозврата. Отсюда он движется только внутрь клетки. Аминокислотная спираль также расслабляется при движении хлорида, дополнительно блокируя проход обратно наружу.
«Во время транспорта две молекулярные "заслонки" обеспечивают движение хлорида только в одном направлении: внутрь», — говорит Ногли.
Один полный цикл перекачки занимает около 100 миллисекунд.
Два года назад та же команда раскрыла механизм другого светозависимого бактериального насоса — натриевого насоса Krokinobacter eikastus. Изучение таких насосов важно, поскольку эти белки являются ценным инструментом в оптогенетике: будучи встроенными в нейроны млекопитающих, они позволяют контролировать активность нейронов с помощью света и исследовать их функции.