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摘要：研究人员发现了一种利用替代能源的新型分子系统，并具有执行机械任务的新机制。
细胞拥有一种非凡的能力，可以利用微小的蛋白质机器——分子马达来组织内部结构，从而产生定向运动。大多数分子马达依靠一种常见形式的化学能ATP来运转。最近，来自马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)、生命卓(空)越物理集群(PoL)、德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)和印度国家生物科学中心(NCBS)的一组研究人员发现了一种利用替代能源的新型分子系统，并具有执行机械任务的新机制。
这种分子马达的工作原理与传统的斯特林发动机相似，通过反复收缩和膨胀，帮助将货物分配到膜结合的细胞器。它是第一个使用两种成分的马达，两种不同大小的蛋白质，Rab5和EEA1，由GTP而不是ATP驱动。该研究结果最近发表在《Nature Physics》杂志上。
图1 研究人员发现了一种利用替代能源的新型分子系统
运动蛋白是细胞内非凡的分子机器，它将储存在一种叫做ATP的分子中的化学能转化为机械能。最(空)突出的例子是肌凝蛋白，它帮助我们的肌肉运动。相比之下，GTP酶是一种小蛋白质，并没有被视为分子力的产生者。一个例子是由EEA1和Rab5两种蛋白质组成的分子马达。
2016年，MPI-CBG主任Marino Zerial和Stephan Grill及其同事(包括PoL和BIOTEC研究小组负责人Marcus Jahnel)组成的跨学科细胞生物学家和生物物理学家团队发现，小GTPase蛋白Rab5可以触发EEA1的收缩。这些绳状蛋白可以识别存在于囊泡膜上的Rab5蛋白并与之结合。
更小的Rab5的结合沿着EEA1的细长结构发送信息，从而增加其灵活性，类似于烹饪软化意大利面。这种柔韧性变化产生一种力，将囊泡拉向目标膜，在那里发生对接和融合。然而，研究小组还假设EEA1可以在柔性和刚性状态之间切换，类似于机械运动，只需与Rab5单独相互作用。
图2 EEA1经历了依赖Rab5的灵活性转变，可以使用FCS实验进行测量。
这就是当前研究的出发点，通过该研究的两位第一作者的博士工作形成。来自MPI-CBG Marino Zerial研究小组的Joan Antoni Soler和来自Shashi Thutupalli研究小组的Anupam Singh，是班加罗尔NCBS西蒙斯生物机器研究中心的生物物理学家，他们开始实验观察这个马达的作用。
为了研究EEA1蛋白的动力学，Anupam Singh于2019年在MPI-CBG呆了三个月。“当我遇到琼时，我向他解释了测量EEA1蛋白质动力学的想法。但这些实验需要对蛋白质进行特定的修饰，以便根据其结构变化来测量其灵活性，”Anupam说。
Joan Antoni总结：“表征EEA1蛋白的方法可以回答EEA1和Rab5是否形成双组分马达，正如之前所怀疑的那样。我意识到获得正确分子的困难可以通过修饰EEA1蛋白来解决，使荧光团附着在特定的蛋白质区域上。这种修饰可以更容易地表征蛋白质结构以及当它与Rab5相互作用时可能发生的变化。”
有了合适的蛋白质分子和合作者Janelle Lauer (Marino Zerial研究小组的高级博士后研究员)的宝贵支持，Joan和Anupam能够利用MPI-CBG和NCBS的光学显微镜设备提供的先进激光扫描显微镜彻(空)底表征EEA1的动力学。引人注目的是，他们发现EEA1蛋白可以经历多个灵活性转变周期，从刚性到柔性，再回到刚性，这仅仅是由它与GTPase Rab5相互作用释放的化学能驱动的。这些实验表明EEA1和Rab5组成了GTP驱动的双组份电机。
为了解释这些结果，PoL和BIOTEC的通讯作者之一、研究小组组长Marcus Jahnel开发了一个新的物理模型来描述摩托车中化学和机械步骤之间的耦合。与Stephan Grill和Shashi Thutupalli一起，生物物理学家还能够计算出新的运动系统的热力学效率，这与传统的atp驱动的运动蛋白相当。
“我们的研究结果表明，蛋白质EEA1和Rab5作为一个双组分分子运动系统一起工作，可以将化学能转化为机械能。因此，它们可以在膜运输中发挥积极的机械作用。产生力的分子运动机制可能在其他分子中保守，并被其他几个细胞室使用，”Marino Zerial总结了这项研究。
Marcus Jahnel补充道:“我很高兴我们终于可以测试EEA1-Rab5电机的想法。很高兴看到这些新实验证实了这一点。大多数分子马达使用一种叫做ATP的普通细胞燃料。小的GTP酶消耗另一种燃料，GTP，并且主要被认为是信号分子。它们还可以驱动分子系统产生力并移动物体，这让这些丰富的分子有了一个有趣的新视角。”
Stephan Grill也同样兴奋:“这是一种新型分子马达！它不像驱动马达那样沿着微管运输货物，而是在原地工作。它有点像章鱼的触手。”
“我们使用的模型的灵感来自经典的斯特林发动机循环。传统的斯特林发动机是通过膨胀和压缩气体来产生机械功的，而本文所描述的双组分电机则是利用蛋白质作为工作基质，通过改变蛋白质的柔韧性来产生力。因此，这种类型的机制为合成蛋白质引擎的开发开辟了新的可能性，”Shashi Thutupalli补充道。
总之，作者希望这一新的跨学科研究能为分子细胞生物学和生物物理学开辟新的研究途径。
参考资料：
[1] Two-component molecular motor driven by a GTPase cycle
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