Belysning af mekanismen i en lysdrevet natriumpumpe

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI er for første gang lykkedes med at registrere en lysdrevet natriumpumpe fra bakterieceller i aktion. Resultaterne lover fremskridt i udviklingen af ​​nye metoder inden for neurobiologi. Forskerne brugte den nye røntgenfri-elektronlaser SwissFEL til deres undersøgelser. De har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Natur .

Natrium spiller en væsentlig rolle i de vitale processer i de fleste biologiske celler. Mange celler opbygger en koncentrationsgradient mellem deres indre og miljøet. Til dette formål, specielle pumper i cellemembranen transporterer natrium ud af cellen. Ved hjælp af en sådan koncentrationsgradient, celler i tyndtarmen eller nyrerne, for eksempel, absorbere visse sukkerarter.

Sådanne natriumpumper findes også i bakteriers membraner. De tilhører familien af ​​de såkaldte rhodopsiner. Det er specielle proteiner, der aktiveres af lys. For eksempel, rhodopsiner transporterer natrium ud af cellen i tilfælde af bakterier, der lever i havet, såsom Krokinobacter eikastus. Den afgørende komponent i rhodopsin er den såkaldte retinal, en form for vitamin A. Det er af central betydning for mennesker, dyr, visse alger og mange bakterier. I nethinden i det menneskelige øje, for eksempel, retinal sætter den visuelle proces i gang, når den ændrer form under påvirkning af lys.

Lynhurtig filmfremstilling

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI er nu lykkedes med at fange billeder af natriumpumpen af ​​Krokinobacter eikastus i aktion og dokumentere de molekylære ændringer, der er nødvendige for natriumtransport. At gøre dette, de brugte en teknik kaldet seriel femtosekund krystallografi. Et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund; et millisekund er den tusindedel. Prøven, der skal undersøges - i dette tilfælde en krystalliseret natriumpumpe - rammes først af en laser og derefter af en røntgenstråle. I tilfælde af bakteriel rhodopsin, laseren aktiverer nethinden, og den efterfølgende røntgenstråle giver data om strukturelle ændringer i hele proteinmolekylet. Da SwissFEL producerer 100 af disse femtosekunds røntgenimpulser pr. optagelser kan laves med høj tidsmæssig opløsning. "Vi kan kun opnå tidsmæssig opløsning i femtosekundområdet ved PSI ved hjælp af SwissFEL, " siger Christopher Milne, som var med til at udvikle forsøgsstationen Alvra, hvor optagelserne blev lavet. "En af udfordringerne er at injicere krystallerne i opsætningen, så de møder laserens og røntgenstrålens pulser med præcision."

Pumpe i aktion

I det nuværende eksperiment, tidsintervallerne mellem laser- og røntgenimpulserne var mellem 800 femtosekunder og 20 millisekunder. Hver røntgenimpuls skaber et enkelt billede af en proteinkrystal. Og ligesom en biograffilm i sidste ende består af et stort antal individuelle fotografier, der kædes sammen i en serie og afspilles hurtigt, de enkelte billeder opnået ved hjælp af SwissFEL kan sættes sammen til en slags film.

"Den proces, vi var i stand til at observere i vores eksperiment, og som nogenlunde svarer til transporten af ​​en natriumion gennem en cellemembran, tager i alt 20 millisekunder, " forklarer Jörg Standfuss, som leder gruppen for tidsopløst krystallografi i Biologi- og Kemiafdelingen på PSI. "Udover at belyse transportprocessen, vi var også i stand til at vise, hvordan natriumpumpen opnår sin specificitet for natrium gennem små ændringer i dens struktur." Dette sikrer, at kun natriumioner, og ingen andre positivt ladede ioner, bliver transporteret. Med disse undersøgelser, forskerne afslørede også de molekylære ændringer, hvorigennem pumpen forhindrer natriumioner, der er blevet transporteret ud af cellen, i at strømme tilbage ind i den.

Fremskridt inden for optogenetik og neurobiologi

Da natriumkoncentrationsforskelle også spiller en særlig rolle i den måde, nerveceller leder stimuli på, neuroner har kraftige natriumpumper i deres membraner. Hvis der strømmer mere natrium ind i cellens indre, en stimulus overføres. Disse pumper transporterer derefter det overskydende natrium i cellen til ydersiden igen.

Da natriumpumpen af ​​Krokinobacter eikastus er drevet af lys, forskere kan nu bruge det til såkaldt optogenetik. Med denne teknologi, celler, i dette tilfælde nerveceller, er genetisk modificeret på en sådan måde, at de kan styres af lys. Pumpen installeres i nerveceller ved hjælp af metoder til molekylær genetik. Hvis den derefter aktiveres af lys, en neuron kan ikke længere overføre stimuli, for eksempel, da dette ville kræve en stigning i natriumkoncentrationen i nervecellen. Imidlertid, bakteriel rhodopsin forhindrer dette ved løbende at transportere natrium ud af cellen. Aktive natriumpumper gør således en neuron inaktiv.

"Hvis vi forstår præcis, hvad der foregår i bakteriens natriumpumpe, det kan hjælpe med at forbedre eksperimenter i optogenetik, " siger Petr Skopintsev, en ph.d. kandidat i den tidsopløste krystallografigruppe. "For eksempel, det kan bruges til at identificere varianter af bakteriel rhodopsin, der virker mere effektivt end den form, der normalt findes i Krokinobacter." forskerne håber at få indsigt i, hvordan individuelle mutationer kan ændre ionpumperne, så de derefter transporterer andre ioner end natrium.