摘要：格拉茨工業大學的研究人員對細菌中發現的一種蛋白質的功能有了新的認識，這種蛋白質的酶活性被藍光激活。

光以許多不同的方式影響生物體:例如，植物的生長方向朝向太陽，而人類的晝夜節律是由日光控制的。這些過程總是涉及光感受器，光感受器是一種能感知不同顏色和光強度的蛋白質。

酶活性增加了一萬倍

現在，格拉茨科技大學(TU Graz)的研究人員已經破譯了一種高效光感受器的功能。他們的研究結果發表在《科學進展》雜志上。研究小組研究了一種在許多細菌中發現的二胍酸環化酶蛋白。它的酶功能調節了一種控制細菌生存方式的中心信使物質的產生。在黑暗中，這種蛋白質幾乎完(空)全不活躍，但一旦暴露在日光的藍色成分中，它的酶活性就會迅速增加。格拉茨工業大學生物化學研究所光生化工作組負責人安德里亞斯·溫克勒說:“這種蛋白質在光照下的酶活性比在黑暗中高出約1萬倍。"在大多數光感受器中，活性增加了5到50倍，導致蛋白質活性的變化更加緩慢。Winkler解釋說:“相比之下，我們所描述的蛋白質反應非常強烈，所以它實際上就像一個開關。"像這樣的高效蛋白質開關可以在未來用于增強和優化光遺傳學工具。

圖1 研究發現二胍酸環化酶蛋白調節了一種控制細菌生存方式的中心信使物質的產生

蛋白質在藍光下伸展

研究人員現在已經解開了蛋白質開關的結構和功能。這種蛋白質由兩個功能部分組成:一個負責感知藍光，另一個負責實際的酶活性，作為化學反應的催化劑。如果它暴露在藍光下，蛋白質會改變其結構。當它不活躍時，整個蛋白質處于致密狀態，但當它接觸到光時，蛋白質拉伸，連接先前分離的酶部分。然后，這種蛋白質產生特定的信使分子，向細菌發出環境條件正在發生變化的信號。如果可能的話，細菌會適應這些新的環境。Andreas Winkler解釋說:“這方面的一個例子是聚集體的形成，被稱為生物膜，它使細菌更能抵抗環境的影響。"

潛在的醫療應用

“我真的很興奮，我們的研究為這種迷人的蛋白質的機制提供了有價值的見解，"該研究的第一作者、格拉茨工業大學生物化學研究所的博士生Urula Vide評論道。“了解這種光激活酶開關背后的機制，為在一系列不同學科中的可能應用打開了大門。"其中之一是醫學上使用的光基因治療方法。與光調節蛋白開關相關的藥物可以在精確的時間內僅在身體的一個非常有限的區域起作用，這將減少潛在的副作用。光誘導的蛋白質開關也將為細胞生物學的研究帶來好處，因為它可以在分子水平上有針對性地觸發特定的變化，然后可以更有效地分析這些變化。“但是我們離這種特殊開關的實際應用還有很長的路要走，"Winkler指出。然而，他相信他的團隊的研究已經產生了一些重要的、基本的見解。

圖2 MsLadC二聚體在其暗適應狀態下的晶體結構

三維模型

在他們的實驗中，研究人員沒有從原始細菌中分離出蛋白質，而是在基因工程的幫助下在實驗室中制造出蛋白質。他們用x射線衍射分析了分子結構，這是三維模型的基礎。結合補充實驗，該模型使研究人員能夠推斷出暴露在藍光下蛋白質結構的變化，從而轉化為關于生物開關分子功能的具體結論。

參考資料：

[1] Illuminating the inner workings of a natural protein switch: Blue-light sensing in LOV-activated diguanylate cyclases