Как работает солнечная «молекулярная помпа» в бактериях

Международная группа ученых, включая исследователей из UWM, впервые засняла в атомных деталях, как солнечный свет запускает работу «ионной помпы» в бактериях. Для этого они использовали метод серийной фемтосекундной кристаллографии с временны́м разрешением.

Суть открытия

  • Изучался белок хлорид-перекачивающий родопсин, который действует как атомный насос. Под действием солнечного света он перемещает ионы хлорида (Cl⁻) внутрь бактериальной клетки.
  • Это создает отрицательно заряженную среду внутри клетки при нейтральной снаружи, генерируя электрическое поле. Бактерии могут использовать эту энергию для движения, роста и других функций.

Как снимали «молекулярное кино»

  • Реакция на свет происходит за пикосекунды (триллионные доли секунды). Чтобы её зафиксировать, потребовалась сверхбыстрая съемка.
  • Ученые использовали рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Калифорнии. Он генерирует сверхкороткие и интенсивные рентгеновские импульсы, которые, попадая на микрокристаллы белка, создают дифракционную картину, показывающую расположение атомов в каждый момент времени.
  • Множество таких «снимков» затем математически реконструировали в 3D-видео, демонстрирующее структурные изменения белка во времени.

Что показало видео

Видео в атомном разрешении показало, как работает «поршень» помпы, который в миллиард раз меньше макроскопического. Именно его движение, запускаемое светом, выталкивает ионы хлорида внутрь клетки.

Значение для науки

  • Связь с биологией человека: Структура этой хлоридной помпы очень похожа на родопсин и фотопсины в человеческом глазу, которые преобразуют свет в электрические сигналы для мозга. Она также напоминает структуру G-белковых рецепторов (GPCR), регулирующих давление, гормоны и являющихся мишенями для многих лекарств.
  • Перспективы применения: Понимание механизма может помочь в проектировании светочувствительных молекулярных насосов для оптогенетики — метода управления поведением клеток и организмов с помощью света.

Исследование опубликовано 22 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.