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利用一种创新的新成像技术，研究人员以前所未有的细节和速度揭示了一系列感光分子的内部工作原理。这项工作可能为新兴的光遗传学领域提供新的策略，该领域使用光脉冲改变单个神经元和其他细胞的活动。
从光合作用到视觉，光敏蛋白驱动着生物学中的许多关键过程。科学界对这些蛋白质的认识大多来自对细菌视紫质的研究，视紫质是一种特定单细胞生物中负责光合作用的蛋白质。研究人员此前已经解决了细菌视紫红质的三维结构，并详细研究了其活性，但现有技术的局限性给最终的模型留下了令人困惑的空白。
这项新研究发表在12月10日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上，描述了研究人员开发的一种被称为线扫描高速原子力显微镜(line-scanning speed atomic force microscopy)的技术，它可以捕捉细菌视紫红质在毫秒级时间范围内对光的反应运动。
“蛋白质结构的解决方案已经变得相当简单，”资深作者西蒙·舒尔林博士说，他是威尔·康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)麻醉学生理学和生物物理学教授。“但目前的挑战是评估动力学，这能提供对系统的动态理解。”
特别是，其他跟踪单个分子活动的方法操作太慢，无法揭示蛋白质是如何在短时间内改变形状的，就像细菌视紫质在对光的反应中所做的那样。舒尔林博士将这些技术比作带有慢速快门的电影摄像机，它可以在屏幕的一边捕捉一只快速移动的鸟，然后在另一边捕捉，但无法在这两点之间跟踪它。
“到目前为止，为了研究细菌视紫红质的动力学，人们使用的是速度较慢的突变体，”该研究的第一作者阿尔玛·佩雷斯·佩里诺博士(Alma Perez Perrino)说，他是舒林博士实验室的博士后研究员。然而，较慢的变异体并不代表蛋白质的正常活动。为了解决这个问题，佩雷斯·佩里诺博士和她的同事开发了行扫描高速原子力显微镜，它牺牲了一些图像细节，以获得更快的帧率，比如拍摄模糊的鸟的图像，以便在屏幕上一直跟随它。
佩雷斯·佩里诺博士说:“我们每1.6毫秒跟踪一次这种蛋白质，这样我们就可以探索野生型细菌视紫红质的速度。”
在对光的反应中，细菌视紫红质在打开和关闭状态之间切换。利用他们更快的成像技术，研究人员发现，分子向开放状态的转变和开放状态的持续时间总是以相同的速度发生，但随着光强度的降低，分子保持封闭状态的时间更长。
光遗传学研究人员将光感知分子的基因插入神经元或其他细胞中，使它们能够利用光脉冲改变细胞的行为。这项研究彻底改变了神经科学，也有可能用于治疗神经系统疾病。研究人员对光感蛋白了解得越多，他们就能进一步推动光遗传学的发展。“最终，你想打开一个过程，然后最大限度地利用它，然后能够立即再次关闭它，”舒尔林博士说。“所以，了解分子转换的动力学是非常重要的。”
Alma P. Perrino, Atsushi Miyagi, Simon Scheuring. Single molecule kinetics of bacteriorhodopsin by HS-AFM. Nature Communications, 2021; 12 (1)
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