Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)體作為細(xì)胞中次級(jí)運(yùn)輸?shù)闹饕袚?dān)者，對(duì)離子的跨膜輸運(yùn)發(fā)揮著重要作用。通過對(duì)鈉離子和氫離子的反向運(yùn)輸，起到維持胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞體積的作用。盡管離子通道間歇性門控的工作機(jī)制早已被人們發(fā)現(xiàn)，但是次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)體的動(dòng)力學(xué)過程還尚未搞清楚，亟需構(gòu)建一種能夠連續(xù)監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)體活性的方法。發(fā)光細(xì)菌是一種能夠自發(fā)光的生物體，發(fā)光機(jī)理為熒光素在熒光素酶的催化下被氧氣氧化，釋放出光子的過程。其發(fā)光強(qiáng)度反映了細(xì)胞新陳代謝活性，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測和生物成像中。
近日，南京大學(xué)王偉教授課題組以野生型發(fā)光細(xì)菌P. phosphoreum為研究模型，發(fā)現(xiàn)了堿性溶液中生物發(fā)光的閃爍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)證明這與細(xì)胞內(nèi)Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)體——NhaA的活性有關(guān)，并且該過程中也伴隨著膜電位的同步變化。
圖1. 細(xì)菌生物發(fā)光閃爍特點(diǎn)的基本描述 作者利用單細(xì)胞生物發(fā)光成像技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)野生型的單個(gè)發(fā)光細(xì)菌P.phosphoreum在堿性溶液中存在自發(fā)和隨機(jī)的生物發(fā)光閃爍現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象是由帶電的NhaA在活性和非活性兩種構(gòu)象之間隨機(jī)轉(zhuǎn)化引起的，在這過程中細(xì)胞膜內(nèi)快速去極化，暫時(shí)抑制呼吸鏈的活性，導(dǎo)致生物發(fā)光下降，然后在H+-ATPase以及鈉的同向轉(zhuǎn)運(yùn)體的作用下，使得細(xì)胞膜電勢和生物發(fā)光恢復(fù)。從構(gòu)象的角度而言，NhaA通過控制某些殘基的去質(zhì)子化，誘導(dǎo)構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)變，激活轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性，我們計(jì)算了這一過程的活化能大約是20.3 kJ/mol。并且通過膜電位的熒光探針TMRM與生物發(fā)光同步記錄，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物發(fā)光閃爍的同時(shí)，膜電位也發(fā)生相應(yīng)的變化。 圖2. 基于功率譜密度的數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步表明生物發(fā)光閃爍實(shí)則為NhaA構(gòu)象轉(zhuǎn)化 圖3. 熒光和生物發(fā)光同步實(shí)驗(yàn)，活化能計(jì)算以及生物發(fā)光閃爍機(jī)理圖 總結(jié)來說，作者發(fā)現(xiàn)了天然發(fā)光細(xì)菌的生物發(fā)光閃爍現(xiàn)象，這項(xiàng)研究不僅首次證明了NhaA在無化學(xué)標(biāo)記和基因改造的發(fā)光細(xì)菌中，具有間歇性開閉的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，而且為發(fā)光細(xì)菌作為一種新的模式菌株，快速靈敏地報(bào)告細(xì)胞生理和新陳代謝活性（比如膜電勢）開辟了新的研究思路。 論文信息 Visualizing the Intermittent Gating of Na+/H+ Antiporters in Single Native Bioluminescent Bacteria Yaohua Li, Haoran Li, Jia Gao, Ben Niu, Prof. Huan Wang, Prof. Wei Wang* 南京大學(xué)化學(xué)專業(yè)博士研究生厲耀華為論文的第一作者，王偉教授為論文的通訊作者。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202215800
