RIKENs biokemister har upptäckt hur en mycket liten pump i en marin mikrob transporterar negativa joner in i cellen genom att ändra form när den aktiveras av ljus. Förutom att ge insikter i hur dessa jonpumpar fungerar, kommer resultaten att vara användbara för att förbättra ljusbaserade verktyg för hjärnforskning.

Många bakterier och encelliga alger transporterar joner in och ut ur sina celler med hjälp av pumpar som drivs av ljus. Genom att driva ut eller ta emot joner tillåter dessa pumpar celler att reglera sitt innehåll i förhållande till sin omgivning. De fungerar genom att ändra sin form när de aktiveras av ljus.

Sådana ljusdrivna pumpar är inte bara av intresse för biokemister; neuroforskare använder dem för att undersöka hjärnkretsar hos djur genom att slå på och av neuroner som svar på ljus. Att lära sig om hur dessa pumpar fungerar kommer att göra det möjligt för hjärnforskare att skräddarsy dem för denna applikation.

Ljusdrivna pumpar som transporterar positiva joner över cellmembranet har studerats omfattande, men mycket mindre är känt om hur pumpar som transporterar negativa kloridjoner fungerar.

Nu har Mikako Shirouzu och Toshiaki Hosaka vid RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, Eriko Nango vid RIKEN SPring-8 Center och deras medarbetare använt en kraftfull röntgenlaser – som det bara finns en handfull av i världen —för att visualisera hur formen på en ljusdriven pump av kloridjoner förändras under drift.

De tittade på en klorpump från en marin bakterie som är baserad på det ljuskänsliga proteinet rhodopsin – ett biologiskt pigment som liknar det i ljusreceptorerna i det mänskliga ögat. Teamet använde större bromid- och jodidjoner snarare än kloridjoner eftersom de är mer detekterbara med röntgenstrålar.

Forskarna upptäckte att pumpen hade en spännande mekanism för att förhindra kloridjoner från att återvända som de kom. "Vi blev förvånade över att finna att aminosyraresten Asn98, som interagerar med anjonen, förhindrar återflöde av jonen efter att den har passerat igenom", säger Hosaka. "Det finns alltså en enkel mekanism för att transportera bara en jon med en enda formförändring."

Resultaten, publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences , indikerar att kloridpumpande rodopsiner använder en vanlig mekanism för att flytta runt joner.

Teamet har för avsikt att studera andra proteiner genom att först göra dem känsliga för ljus. "De flesta proteiner är inte känsliga för ljus, vilket gör dem svåra att kontrollera", säger Hosaka. "I framtiden skulle vi vilja modifiera vanliga proteiner för att göra dem känsliga för ljus och därigenom studera formförändringarna hos ett bredare spektrum av proteiner." + Utforska vidare

Hur man får in kloridjoner i cellen