保罗·舍勒研究所 彼得·斯科平采夫(左)、约格·斯坦福斯(中)和克里斯托弗·米尔恩(右)在x光自由电子激光实验室的阿尔瓦拉实验站 保罗·舍勒研究所的研究人员首次成功记录了细菌细胞中的光驱动钠泵
这些发现预示着神经生物学新方法开发的进展
研究人员使用新的x光自由电子激光开关进行研究
他们今天在《自然》杂志上发表了他们的发现
钠在大多数生物细胞的生命过程中起着重要作用
许多细胞在其内部和环境之间建立了浓度梯度
为此，细胞膜中的特殊泵将钠输送出细胞
例如，在这种浓度梯度的帮助下，小肠或肾脏的细胞吸收某些糖
这种钠泵也存在于细菌的细胞膜中
它们属于所谓的视紫红质家族
这些是被光激活的特殊蛋白质
例如，对于生活在海洋中的细菌，如克罗金杆菌，视紫红质将钠从细胞中运输出来
视紫红质的关键成分是所谓的视网膜，维生素A的一种形式
它对人类、动物、某些藻类和许多细菌来说至关重要
例如，在人眼的视网膜中，当视网膜在光的影响下改变形状时，它就启动了视觉过程
闪电般的电影制作 保罗·舍勒研究所的研究人员现在已经成功地捕捉到了克罗金诺杆菌钠泵运行的图像，并记录了钠转运所必需的分子变化
为此，他们使用了一种叫做连续飞秒结晶学的技术
飞秒是一秒的千分之一。一毫秒是千分之一
被检测的样品——在这种情况下是结晶钠泵——首先被激光照射，然后被x光束照射
就细菌视紫红质而言，激光激活视网膜，随后的x光束提供了整个蛋白质分子结构变化的数据
由于瑞士自由电子激光每秒钟能产生100个这种飞秒x光脉冲，因此可以以很高的时间分辨率进行记录
“在瑞士自由电子激光的帮助下，我们只能在飞秒范围内实现时间分辨率，”克里斯托弗·米尔恩说，他帮助开发了制作记录的阿尔弗拉实验站
“挑战之一是将晶体注入装置中，使它们以精确的精度满足激光和x光光束的脉冲
" 泵在运转 在目前的实验中，激光和x光脉冲之间的时间间隔在800飞秒到20毫秒之间
每个x光脉冲产生一个蛋白质晶体的单一图像
正如一部电影最终是由大量的单个照片串联在一起并快速回放一样，在SwissFEL的帮助下获得的单个照片可以组合在一起形成一种电影
“我们能够在实验中观察到的过程，大致相当于钠离子通过细胞膜的传输，总共需要20毫秒，”约格·斯坦德福斯解释说，他是PSI生物和化学部门时间分辨结晶学小组的负责人
“除了阐明转运过程之外，我们还能够展示钠泵是如何通过微小的结构变化实现其对钠的特异性的
这确保了只有钠离子而没有其他带正电的离子被传输
通过这些研究，研究人员还揭示了分子变化，通过分子变化，泵阻止了从细胞中输送出来的钠离子回流到细胞中
光遗传学和神经生物学进展 由于钠浓度的差异在神经细胞传导刺激的方式中也起着特殊的作用，神经元的膜中有强大的钠泵
如果更多的钠流入细胞内部，刺激就会被传递
这些泵将细胞中多余的钠再次输送到外面
由于克罗金诺杆菌的钠泵是由光驱动的，研究人员现在可以将其用于所谓的光遗传学
利用这项技术，细胞，在这种情况下是神经细胞，被基因改造成可以被光控制的方式
使用分子遗传学的方法将泵安装在神经细胞中
例如，如果神经元被光激活，它就不能再传递刺激，因为这需要增加神经细胞中的钠浓度
然而，细菌视紫红质通过不断将钠转运出细胞来阻止这种现象
因此，活跃的钠泵使神经元失去活性
“如果我们确切了解细菌钠泵中发生了什么，这将有助于改进光遗传学实验，”彼得·斯科平采夫博士说
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时间分辨结晶学组的候选人
“例如，它可以用来鉴定细菌视紫红质的变体，这种变体比通常在克罗金杆菌中发现的形式更有效
“此外，研究人员希望深入了解单个突变是如何改变离子泵的，从而使它们能够运输钠以外的离子
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