Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI zijn er voor het eerst in geslaagd om een ​​door licht aangedreven natriumpomp van bacteriële cellen in actie vast te leggen. De bevindingen beloven vooruitgang bij de ontwikkeling van nieuwe methoden in de neurobiologie. De onderzoekers gebruikten voor hun onderzoek de nieuwe röntgenvrije elektronenlaser SwissFEL. Ze hebben hun bevindingen vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Natrium speelt een essentiële rol in de vitale processen van de meeste biologische cellen. Veel cellen bouwen een concentratiegradiënt op tussen hun interieur en de omgeving. Voor dit doeleinde, speciale pompen in het celmembraan transporteren natrium de cel uit. Met behulp van zo'n concentratiegradiënt, cellen van de dunne darm of de nieren, bijvoorbeeld, bepaalde suikers opnemen.

Dergelijke natriumpompen komen ook voor in de membranen van bacteriën. Ze behoren tot de familie van de zogenaamde rodopsines. Dit zijn speciale eiwitten die door licht worden geactiveerd. Bijvoorbeeld, rodopsines transporteren natrium uit de cel in het geval van bacteriën die in de oceaan leven, zoals Krokinobacter eikastus. Het cruciale bestanddeel van rodopsine is het zogenaamde netvlies, een vorm van vitamine A. Het is van cruciaal belang voor de mens, dieren, bepaalde algen en veel bacteriën. In het netvlies van het menselijk oog, bijvoorbeeld, netvlies zet het visuele proces in gang wanneer het van vorm verandert onder invloed van licht.

Razendsnel films maken

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI zijn er nu in geslaagd beelden vast te leggen van de natriumpomp van Krokinobacter eikastus in actie en de moleculaire veranderingen die nodig zijn voor natriumtransport te documenteren. Om dit te doen, ze gebruikten een techniek genaamd seriële femtoseconde kristallografie. Een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde; een milliseconde is het duizendste deel. Het te onderzoeken monster, in dit geval een gekristalliseerde natriumpomp, wordt eerst geraakt door een laser en vervolgens door een röntgenstraal. In het geval van bacterieel rodopsine, de laser activeert het netvlies, en de daaropvolgende röntgenstraal levert gegevens over structurele veranderingen binnen het gehele eiwitmolecuul. Aangezien SwissFEL 100 van deze femtoseconde röntgenpulsen per seconde produceert, opnames kunnen worden gemaakt met een hoge temporele resolutie. "We kunnen bij PSI alleen tijdelijke resolutie in het femtosecondebereik bereiken met de hulp van SwissFEL, " zegt Christopher Milne, die hielpen bij de ontwikkeling van het Alvra-experimentstation waar de opnames werden gemaakt. "Een van de uitdagingen is om de kristallen in de opstelling te injecteren, zodat ze de pulsen van de laser en de röntgenstraal met uiterste nauwkeurigheid ontmoeten."

Pomp in actie

In het huidige experiment de tijdsintervallen tussen de laser- en röntgenpulsen waren tussen 800 femtoseconden en 20 milliseconden. Elke röntgenpuls creëert een enkel beeld van een eiwitkristal. En net zoals een bioscoopfilm uiteindelijk bestaat uit een groot aantal losse foto's die in een reeks aaneengeregen en snel afgespeeld worden, de afzonderlijke foto's die met behulp van SwissFEL zijn verkregen, kunnen worden samengevoegd tot een soort film.

"Het proces dat we in ons experiment konden observeren, en wat ongeveer overeenkomt met het transport van een natriumion door een celmembraan, duurt in totaal 20 milliseconden, " legt Jörg Standfuss uit, die aan het hoofd staat van de groep voor tijdopgeloste kristallografie in de biologie en scheikunde van PSI. "Naast het verhelderen van het transportproces, we konden ook laten zien hoe de natriumpomp zijn specificiteit voor natrium bereikt door kleine veranderingen in zijn structuur." Dit zorgt ervoor dat alleen natriumionen, en geen andere positief geladen ionen, worden vervoerd. Met deze onderzoeken de onderzoekers onthulden ook de moleculaire veranderingen waardoor de pomp voorkomt dat natriumionen die uit de cel zijn getransporteerd, erin terugstromen.

Vooruitgang in optogenetica en neurobiologie

Omdat natriumconcentratieverschillen ook een speciale rol spelen in de manier waarop zenuwcellen prikkels geleiden, neuronen hebben krachtige natriumpompen in hun membranen. Als er meer natrium in het binnenste van de cel stroomt, een prikkel wordt doorgegeven. Deze pompen transporteren vervolgens het overtollige natrium in de cel weer naar buiten.

Omdat de natriumpomp van Krokinobacter eikastus wordt aangedreven door licht, onderzoekers kunnen het nu gebruiken voor zogenaamde optogenetica. Met deze technologie, cellen, in dit geval zenuwcellen, zijn zodanig genetisch gemodificeerd dat ze door licht kunnen worden gecontroleerd. De pomp wordt met behulp van moleculaire genetica in zenuwcellen geïnstalleerd. Als het vervolgens wordt geactiveerd door licht, een neuron kan geen prikkels meer doorgeven, bijvoorbeeld, omdat dit een verhoging van de natriumconcentratie in de zenuwcel zou vereisen. Echter, bacterieel rodopsine voorkomt dit door continu natrium uit de cel te transporteren. Dus actieve natriumpompen maken een neuron inactief.

"Als we precies begrijpen wat er in de natriumpomp van de bacterie gebeurt, het kan helpen om experimenten in optogenetica te verbeteren, " zegt Petr Skopintsev, een doctoraat kandidaat in de tijdsopgeloste kristallografiegroep. "Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om varianten van bacteriële rodopsine te identificeren die effectiever werken dan de vorm die gewoonlijk wordt aangetroffen in Krokinobacter." de onderzoekers hopen inzicht te krijgen in hoe individuele mutaties de ionenpompen kunnen veranderen, zodat ze dan andere ionen dan natrium transporteren.