Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har för första gången lyckats spela in en ljusdriven natriumpump från bakterieceller i aktion. Fynden lovar framsteg i utvecklingen av nya metoder inom neurobiologi. Forskarna använde den nya röntgenfrielektronlasern SwissFEL för sina undersökningar. De har publicerat sina fynd idag i tidskriften Natur .

Natrium spelar en viktig roll i de flesta biologiska cellers vitala processer. Många celler bygger upp en koncentrationsgradient mellan deras inre och miljön. För det här syftet, speciella pumpar i cellmembranet transporterar natrium ut ur cellen. Med hjälp av en sådan koncentrationsgradient, celler i tunntarmen eller njurarna, till exempel, absorberar vissa sockerarter.

Sådana natriumpumpar finns också i bakteriemembranen. De tillhör familjen till de så kallade rhodopsinerna. Dessa är speciella proteiner som aktiveras av ljus. Till exempel, rhodopsiner transporterar natrium ut ur cellen när det gäller bakterier som lever i havet, såsom Krokinobacter eikastus. Den avgörande komponenten i rhodopsin är den så kallade retinalen, en form av vitamin A. Det är av central betydelse för människor, djur, vissa alger och många bakterier. I näthinnan i det mänskliga ögat, till exempel, retinal initierar den visuella processen när den ändrar form under påverkan av ljus.

Blixtsnabb filmskapande

Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har nu lyckats fånga bilder av natriumpumpen av Krokinobacter eikastus i aktion och dokumentera de molekylära förändringar som är nödvändiga för natriumtransport. Att göra detta, de använde en teknik som kallas seriell femtosekundkristallografi. En femtosekund är en-kvadriljondel av en sekund; en millisekund är den tusendels delen. Provet som ska undersökas-i detta fall en kristalliserad natriumpump-träffas först av en laser och sedan av en röntgenstråle. När det gäller bakteriell rhodopsin, lasern aktiverar näthinnan, och den efterföljande röntgenstrålen tillhandahåller data om strukturella förändringar inom hela proteinmolekylen. Eftersom SwissFEL producerar 100 av dessa femtosekundröntgenpulser per sekund, inspelningar kan göras med hög tidsupplösning. "Vi kan bara uppnå tidsupplösning i femtosekundintervallet vid PSI med hjälp av SwissFEL, säger Christopher Milne, som hjälpte till att utveckla experimentstationen Alvra där inspelningarna gjordes. "En av utmaningarna är att injicera kristallerna i installationen så att de möter laserns och röntgenstrålens pulser med exakt noggrannhet."

Pump i drift

I det nuvarande experimentet, tidsintervallen mellan laser- och röntgenpulserna var mellan 800 femtosekunder och 20 millisekunder. Varje röntgenpuls skapar en enda bild av en proteinkristall. Och precis som en biofilm i slutändan består av ett stort antal enskilda fotografier som är sammanbundna i en serie och spelas upp snabbt, de enskilda bilderna som erhållits med hjälp av SwissFEL kan sättas ihop till en slags film.

"Processen som vi kunde observera i vårt experiment, och som ungefär motsvarar transporten av en natriumjon genom ett cellmembran, tar totalt 20 millisekunder, "förklarar Jörg Standfuss, som leder gruppen för tidsupplöst kristallografi i avdelningen för biologi och kemi vid PSI. "Förutom att belysa transportprocessen, Vi kunde också visa hur natriumpumpen uppnår sin specificitet för natrium genom små förändringar i dess struktur. "Detta säkerställer att endast natriumjoner, och inga andra positivt laddade joner, transporteras. Med dessa undersökningar, forskarna avslöjade också de molekylära förändringar genom vilka pumpen förhindrar att natriumjoner som transporterats ut ur cellen strömmar tillbaka in i den.

Framsteg inom optogenetik och neurobiologi

Eftersom skillnader i natriumkoncentration också spelar en särskild roll i hur nervceller leder stimuli, neuroner har kraftfulla natriumpumpar i sina membran. Om mer natrium rinner in i cellens inre, en stimulans överförs. Dessa pumpar transporterar sedan överskottet av natrium i cellen till utsidan igen.

Eftersom natriumpumpen för Krokinobacter eikastus drivs av ljus, forskare kan nu använda den för så kallad optogenetik. Med denna teknik, celler, i detta fall nervceller, är genetiskt modifierade på ett sådant sätt att de kan styras av ljus. Pumpen installeras i nervceller med hjälp av metoder för molekylär genetik. Om den sedan aktiveras av ljus, en neuron kan inte längre överföra stimuli, till exempel, eftersom detta skulle kräva en ökning av natriumkoncentrationen i nervcellen. Dock, bakteriell rhodopsin förhindrar detta genom att kontinuerligt transportera natrium ur cellen. Således gör aktiva natriumpumpar en neuron inaktiv.

"Om vi ​​förstår exakt vad som händer i bakteriens natriumpump, det kan hjälpa till att förbättra experiment inom optogenetik, "säger Petr Skopintsev, en doktorsexamen kandidat i den tidsupplösta kristallografigruppen. "Till exempel, den kan användas för att identifiera varianter av bakteriell rhodopsin som fungerar mer effektivt än den form som vanligtvis finns i Krokinobacter. "Dessutom, forskarna hoppas få insikt i hur enskilda mutationer kan förändra jonpumparna så att de sedan transporterar andra joner än natrium.