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转运蛋白双重制动可防止细胞爆炸

环境中高浓度的盐或糖将使微生物脱水并阻止其生长。为了解决这个问题,细菌可以增加其内部溶质浓度。格罗宁根大学的科学家阐明了运输蛋白OpuA的结构,该蛋白可以导入甘氨酸甜菜碱来抵抗渗透压。该蛋白质属于著名的ABC转运蛋白家族,但具有独特的结构和工作机制。结果于11月18日发表在《科学进展》上。

食品防腐剂旨在使微生物难以生存。盐和糖是众所周知的防腐剂。它们使电解质浓度增加到细菌内部的浓度以上。结果是水从这些细菌中流出,直到浓度接近相等为止,留下了不再生长的干cells的细胞。

ABC运输车

格罗宁根大学(University of Groningen)生物化学教授贝特·普尔曼(Bert Poolman)说:“但是,有些细菌已经进化出了针对此类防腐剂的防御能力。” 大约20年前,一位食品生产商要求他找到击败这些防御措施的方法。它导致了OpuA的发现,OpuA是一种运输蛋白,由脱水触发,并通过输入一种称为甘氨酸甜菜碱的物质产生响应。普尔曼解释说:“这在不损害蛋白质结构的情况下增加了细胞内的渗透压浓度。结果是细胞吸收了更多的水,并开始重新生长。”

OpuA属于一种众所周知的蛋白质,称为ABC(ATP结合盒)转运蛋白。该蛋白质家族是生物学上已知的最大的家族之一。人类大约有50种转运蛋白,有些植物有数百种,而细菌则介于两者之间。OpuA之所以特别,是因为它可以进口大量的甘氨酸甜菜碱,从而导致内部渗透压浓度非常高。这就是为什么Poolman对它的工作方式很感兴趣。“从那时起,我就一直在解决这个问题。”

突破

问题在于阐明蛋白质的结构。直到几年前,标准方法还是从蛋白质中生长晶体,然后使用X射线衍射对其进行研究。用嵌入细胞膜中的蛋白质来生长晶体非常困难,对于OpuA来说,这是不可能的。基于氨基酸序列和其他ABC转运蛋白的结构,科学家构建了该结构的模型,但这无法解释OpuA发挥作用的方式。

突破之处在于引入了冷冻电子显微镜以及博士学位。学生Hendrik Sikkema以及与格罗宁根大学(Cryo-EM Cristina Paulino)助理教授的研究小组合作。在非常低的温度下,在电子显微镜中扫描了大量的单个蛋白质,然后将所有图像合并以提供结构的直接视图。结果显示不是一个而是五个不同的结构。普尔曼解释说:“蛋白质是一种动态结构,它会改变构象以适应功能,但是不同部分也会自行振动。” “这意味着一种蛋白质存在于许多变异结构中。在这种多样性中,您无法生长晶体。”

美丽

cryo-EM研究的第一个结论是,他们认为关于OpuA结构的大部分知识都是错误的。“例如,我们认为位于细胞膜内侧的部分位于外侧。” 普尔曼说,真正的结构很漂亮。第二个结论是OpuA部分受环状di-AMP的调节,后者是最近才发现的第二种信使分子。“这种蛋白质主要对离子强度作出反应,而离子强度随渗透压力的变化而变化,但是它使用环状di-AMP作为第二制动器来完全停止进口甘氨酸甜菜碱并防止细胞在非应激条件下爆炸。”

OpuA蛋白的离子强度传感器带正电荷,而膜带负电荷。当从细胞中抽水时,盐(例如氯化钾)的浓度会增加。“这破坏了离子强度传感器与膜的相互作用,从而激活了泵送机制。” 一旦甘氨酸甜菜碱的浓度高到足以使细胞膨胀至正常比例,就可以使蛋白质与膜之间的相互作用正常化。“但是,泵并没有完全关闭,因此它继续输入一些甘氨酸甜菜碱。这将增加细胞内部的压力,并最终导致其弹出。” 这就是为什么使用循环di-AMP完全关闭泵的原因。

本文描述了不同的结构并提供了有关转运蛋白的功能数据。这种结合可以很好地洞察OpuA的工作原理:对于Poolman来说是令人满意的结果。“这是二十年来研究的积累,已经产生了七八篇博士学位论文。” 结果表明,如何克服细菌对盐或糖等防腐剂的抗性。“此外,我们是一个尝试构建合成细胞的财团的一部分。OpuA是设计的重要组成部分;它旨在调节细胞的内部压力。”

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