RIKEN-biochemici hebben ontdekt hoe een minuscuul pompje in een mariene microbe negatieve ionen de cel in stuurt door van vorm te veranderen wanneer ze door licht worden geactiveerd. De bevindingen bieden niet alleen inzicht in hoe deze ionenpompen werken, maar zullen ook nuttig zijn voor het verbeteren van op licht gebaseerde hulpmiddelen voor hersenonderzoek.

Veel bacteriën en eencellige algen brengen ionen in en uit hun cellen met behulp van pompen die worden aangedreven door licht. Door ionen uit te stoten of te accepteren, stellen deze pompen cellen in staat hun inhoud te reguleren ten opzichte van hun omgeving. Ze werken door hun vorm te veranderen wanneer ze worden geactiveerd door licht.

Dergelijke door licht aangedreven pompen zijn niet alleen interessant voor biochemici; neurowetenschappers gebruiken ze om hersencircuits bij dieren te onderzoeken door neuronen aan en uit te zetten als reactie op licht. Door te leren hoe deze pompen werken, kunnen hersenonderzoekers ze op maat maken voor deze toepassing.

Door licht aangedreven pompen die positieve ionen door het celmembraan transporteren zijn uitgebreid bestudeerd, maar er is veel minder bekend over de werking van pompen die negatieve chloride-ionen transporteren.

Nu hebben Mikako Shirouzu en Toshiaki Hosaka van het RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, Eriko Nango van het RIKEN SPring-8 Center, en hun collega's een krachtige röntgenlaser gebruikt - waarvan er slechts een handvol in de wereld is — om te visualiseren hoe de vorm van een door licht aangedreven pomp van chloride-ionen verandert tijdens bedrijf.

Ze keken naar een chloorpomp van een mariene bacterie die is gebaseerd op het lichtgevoelige eiwit rodopsine, een biologisch pigment vergelijkbaar met dat in de lichtreceptoren van het menselijk oog. Het team gebruikte grotere bromide- en jodide-ionen in plaats van chloride-ionen omdat ze beter kunnen worden gedetecteerd door röntgenstralen.

De onderzoekers ontdekten dat de pomp een intrigerend mechanisme had om te voorkomen dat chloride-ionen terugkeren zoals ze kwamen. "We waren verrast toen we ontdekten dat het aminozuurresidu Asn98, dat een interactie aangaat met het anion, de terugstroming van het ion voorkomt nadat het is gepasseerd", zegt Hosaka. "Er is dus een eenvoudig mechanisme om slechts één ion te transporteren met een enkele vormverandering."

De resultaten, gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences , geven aan dat chloride-pompende rodopsines een gemeenschappelijk mechanisme gebruiken om ionen te verplaatsen.

Het team wil andere eiwitten bestuderen door ze eerst lichtgevoelig te maken. "De meeste eiwitten reageren niet op licht, waardoor ze moeilijk te controleren zijn", zegt Hosaka. "In de toekomst willen we gewone eiwitten aanpassen om ze gevoelig te maken voor licht en zo de vormveranderingen van een breder scala aan eiwitten te bestuderen." + Verder verkennen

Hoe krijg je chloride-ionen in de cel