Sådan får du chloridioner ind i cellen

Mange bakterier og encellede alger har lysdrevne pumper i deres cellemembraner:proteiner, der ændrer form, når de udsættes for fotoner, således at de kan transportere ladede atomer ind eller ud af cellen. Takket være disse pumper kan deres encellede ejere tilpasse sig miljøets pH-værdi eller saltholdighed.

En sådan bakterie er Nonlabens marinus, først opdaget i 2012 i Stillehavet. Det har blandt andet et rhodopsin-protein i sin cellemembran, som transporterer chloridanioner fra ydersiden af ​​cellen til dens indre. Ligesom i det menneskelige øje, isomeriserer et nethindemolekyle bundet til proteinet, når det udsættes for lys. Denne isomerisering starter pumpeprocessen. Forskere fik nu detaljeret indsigt i, hvordan kloridpumpen i Nonlabens marinus fungerer.

Undersøgelsen blev ledet af Przemyslaw Nogly, engang postdoc ved PSI og nu Ambizione Fellow og gruppeleder ved ETH Zürich. Med sit team kombinerede han eksperimenter på to af PSI's store forskningsfaciliteter, Swiss Light Source SLS og røntgenfri-elektronlaseren SwissFEL. Langsommere dynamik i millisekundområdet blev undersøgt via tidsopløst seriel krystallografi ved SLS, mens hurtigere, op til picosekunder, hændelser blev fanget ved SwissFEL – derefter blev begge datasæt sat sammen.

"I et papir udnytter vi fordelene ved to avancerede faciliteter til at fortælle hele historien om denne kloridpumpe," siger Nogly. Jörg Standfuss, medforfatter af undersøgelsen, som opbyggede et PSI-hold dedikeret til at skabe sådanne molekylære film, tilføjer, at "denne kombination muliggør førsteklasses biologisk forskning, som kun ville være mulig på meget få andre steder i verden ved siden af ​​PSI."

Ingen tilbageløb

Som undersøgelsen har afsløret, tiltrækkes chloridanionen af ​​et positivt ladet område af rhodopsin-proteinet i Nonlabens marinus' cellemembran. Her kommer anionen ind i proteinet og binder sig til sidst til en positiv ladning ved retinalmolekylet indeni. Når nethinden isomeriserer på grund af lyspåvirkning og vælter, trækker den kloridanionen med og transporterer den dermed et stykke længere inde i proteinet. "Det er sådan, lysenergi omdannes direkte til kinetisk energi, hvilket udløser det allerførste trin i iontransporten," siger Sandra Mous, ph.d. elev i Noglys gruppe og førsteforfatter af papiret.

At være på den anden side af nethindens molekyle nu, har chloridionen nået et point of no return. Herfra går det kun længere inde i cellen. En aminosyrespiral slapper også af, når klorid bevæger sig med, og forhindrer desuden passagen udenfor. "Under transporten sørger to molekylære porte således for, at klorid kun bevæger sig i én retning:indenfor," siger Nogly. En pumpeproces i alt tager omkring 100 millisekunder.

For to år siden optrevlede Jörg Standfuss, Przemyslaw Nogly og deres team mekanismen i en anden lysdrevet bakteriepumpe:natriumpumpen fra Krokinobacter eikastus. Forskere er ivrige efter at opdage detaljerne i lysdrevne pumper, fordi disse proteiner er værdifulde optogenetiske værktøjer:Genmanipuleret til pattedyrneuroner gør de det muligt at kontrollere neuronernes aktiviteter med lys og dermed forske i deres funktion.