Veel bacteriën en eencellige algen hebben lichtgedreven pompen in hun celmembranen:eiwitten die bij blootstelling aan fotonen van vorm veranderen, zodat ze geladen atomen de cel in of uit kunnen transporteren. Dankzij deze pompen kunnen hun eencellige eigenaren zich aanpassen aan de pH-waarde of het zoutgehalte van de omgeving.

Een van die bacteriën is Nonlabens marinus, voor het eerst ontdekt in 2012 in de Stille Oceaan. Het bezit onder meer een rhodopsine-eiwit in zijn celmembraan dat chloride-anionen van buiten de cel naar binnen transporteert. Net als in het menselijk oog isomeriseert een aan het eiwit gebonden retinale molecuul bij blootstelling aan licht. Deze isomerisatie start het pompproces. Onderzoekers hebben nu gedetailleerd inzicht gekregen in hoe de chloridepomp in Nonlabens marinus werkt.

Het onderzoek werd geleid door Przemyslaw Nogly, ooit een postdoc bij PSI en nu een Ambizione Fellow en groepsleider aan de ETH Zürich. Met zijn team combineerde hij experimenten in twee van de grootschalige onderzoeksfaciliteiten van PSI, de Swiss Light Source SLS en de röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL. Langzamere dynamiek in het millisecondebereik werd onderzocht via in de tijd opgeloste seriële kristallografie bij SLS, terwijl snellere, tot picoseconde, gebeurtenissen werden vastgelegd bij SwissFEL - waarna beide sets gegevens werden samengevoegd.

"In één artikel benutten we de voordelen van twee ultramoderne faciliteiten om het volledige verhaal van deze chloridepomp te vertellen", zegt Nogly. Jörg Standfuss, co-auteur van de studie die een PSI-team heeft samengesteld dat zich toelegt op het maken van dergelijke moleculaire films, voegt eraan toe dat "deze combinatie eersteklas biologisch onderzoek mogelijk maakt, zoals alleen op heel weinig andere plaatsen in de wereld naast PSI mogelijk zou zijn."

Geen terugstroom

Zoals de studie heeft onthuld, wordt het chloride-anion aangetrokken door een positief geladen stukje van het rodopsine-eiwit in het celmembraan van Nonlabens marinus. Hier komt het anion het eiwit binnen en bindt het uiteindelijk aan een positieve lading aan het netvliesmolecuul binnenin. Wanneer het netvlies isomeriseert door blootstelling aan licht en omslaat, sleept het het chloride-anion mee en transporteert het dus een beetje verder in het eiwit. "Dit is hoe lichtenergie direct wordt omgezet in kinetische energie, waardoor de allereerste stap van het ionentransport wordt gestart", zegt Sandra Mous, een Ph.D. student in de groep van Nogly en eerste auteur van het artikel.

Omdat het nu aan de andere kant van het netvliesmolecuul zit, heeft het chloride-ion een punt bereikt waarop geen terugkeer meer mogelijk is. Vanaf hier gaat het alleen maar verder de cel in. Een aminozuurhelix ontspant ook wanneer chloride meebeweegt, en blokkeert bovendien de doorgang naar buiten. "Tijdens het transport zorgen twee moleculaire poorten er dus voor dat chloride maar in één richting beweegt:naar binnen", zegt Nogly. Eén pompproces duurt in totaal ongeveer 100 milliseconden.

Twee jaar geleden ontrafelden Jörg Standfuss, Przemyslaw Nogly en hun team het mechanisme van een andere door licht aangedreven bacteriepomp:de natriumpomp van Krokinobacter eikastus. Onderzoekers willen graag de details van door licht aangedreven pompen ontdekken, omdat deze eiwitten waardevolle optogenetische hulpmiddelen zijn:genetisch gemanipuleerd in zoogdierneuronen, maken ze het mogelijk om de neuronenactiviteiten door licht te regelen en zo hun functie te onderzoeken.