Molti batteri e alghe unicellulari hanno pompe azionate dalla luce nelle loro membrane cellulari:proteine ​​che cambiano forma quando vengono esposte ai fotoni in modo tale da poter trasportare atomi carichi dentro o fuori la cellula. Grazie a queste pompe, i loro proprietari unicellulari possono adattarsi al valore del pH o alla salinità dell'ambiente.

Uno di questi batteri è Nonlabens marinus, scoperto per la prima volta nel 2012 nell'Oceano Pacifico. Tra gli altri, possiede una proteina rodopsina nella sua membrana cellulare che trasporta gli anioni cloruro dall'esterno della cellula al suo interno. Proprio come nell'occhio umano, una molecola retinica legata alla proteina si isomerizza se esposta alla luce. Questa isomerizzazione avvia il processo di pompaggio. I ricercatori ora hanno ottenuto informazioni dettagliate su come funziona la pompa del cloruro in Nonlabens marinus.

Lo studio è stato condotto da Przemyslaw Nogly, un tempo postdoc al PSI e ora Ambizione Fellow e Group Leader all'ETH di Zurigo. Con il suo team, ha combinato gli esperimenti in due delle strutture di ricerca su larga scala del PSI, la sorgente luminosa svizzera SLS e il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. Le dinamiche più lente nell'intervallo di millisecondi sono state studiate tramite cristallografia seriale risolta nel tempo su SLS mentre gli eventi più veloci, fino a picosecondi, sono stati acquisiti su SwissFEL, quindi entrambi i set di dati sono stati messi insieme.

"In un documento, sfruttiamo i vantaggi di due strutture all'avanguardia per raccontare la storia completa di questa pompa per cloruri", afferma Nogly. Jörg Standfuss, coautore dello studio che ha creato un team PSI dedicato alla creazione di tali film molecolari, aggiunge che "questa combinazione consente una ricerca biologica di prim'ordine come sarebbe possibile solo in pochissimi altri posti al mondo oltre al PSI".

Nessun riflusso

Come ha rivelato lo studio, l'anione cloruro è attratto da un cerotto caricato positivamente della proteina rodopsina nella membrana cellulare di Nonlabens marinus. Qui, l'anione entra nella proteina e alla fine si lega a una carica positiva sulla molecola retinica all'interno. Quando la retina si isomerizza a causa dell'esposizione alla luce e si capovolge, trascina l'anione cloruro e quindi lo trasporta un po' più all'interno della proteina. "È così che l'energia luminosa viene convertita direttamente in energia cinetica, innescando il primo passaggio del trasporto ionico", afferma Sandra Mous, dottore di ricerca. studente nel gruppo di Nogly e primo autore dell'articolo.

Essendo ora dall'altra parte della molecola retinica, lo ione cloruro ha raggiunto un punto di non ritorno. Da qui, va solo più all'interno della cella. Un'elica di amminoacidi si rilassa anche quando il cloruro si muove, ostruendo ulteriormente il passaggio all'esterno. "Durante il trasporto, due porte molecolari assicurano che il cloruro si muova solo in una direzione:all'interno", dice Nogly. Un processo di pompaggio in totale richiede circa 100 millisecondi.

Due anni fa, Jörg Standfuss, Przemyslaw Nogly e il loro team hanno svelato il meccanismo di un'altra pompa batterica guidata dalla luce:la pompa del sodio di Krokinobacter eikastus. I ricercatori sono ansiosi di scoprire i dettagli delle pompe azionate dalla luce perché queste proteine ​​​​sono preziosi strumenti optogenetici:geneticamente modificate nei neuroni dei mammiferi, consentono di controllare le attività dei neuroni mediante la luce e quindi di ricercare la loro funzione.