摘要：研究人員發現了一種利用替代能源的新型分子系統，并具有執行機械任務的新機制。
細胞擁有一種非凡的能力，可以利用微小的蛋白質機器——分子馬達來組織內部結構，從而產生定向運動。大多數分子馬達依靠一種常見形式的化學能ATP來運轉。最近，來自馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所(MPI-CBG)、生命卓(空)越物理集群(PoL)、德累斯頓工業大學生物技術中心(BIOTEC)和印度國家生物科學中心(NCBS)的一組研究人員發現了一種利用替代能源的新型分子系統，并具有執行機械任務的新機制。
這種分子馬達的工作原理與傳統的斯特林發動機相似，通過反復收縮和膨脹，幫助將貨物分配到膜結合的細胞器。它是第一個使用兩種成分的馬達，兩種不同大小的蛋白質，Rab5和EEA1，由GTP而不是ATP驅動。該研究結果最近發表在《Nature Physics》雜志上。
圖1 研究人員發現了一種利用替代能源的新型分子系統
運動蛋白是細胞內非凡的分子機器，它將儲存在一種叫做ATP的分子中的化學能轉化為機械能。最(空)突出的例子是肌凝蛋白，它幫助我們的肌肉運動。相比之下，GTP酶是一種小蛋白質，并沒有被視為分子力的產生者。一個例子是由EEA1和Rab5兩種蛋白質組成的分子馬達。
2016年，MPI-CBG主任Marino Zerial和Stephan Grill及其同事(包括PoL和BIOTEC研究小組負責人Marcus Jahnel)組成的跨學科細胞生物學家和生物物理學家團隊發現，小GTPase蛋白Rab5可以觸發EEA1的收縮。這些繩狀蛋白可以識別存在于囊泡膜上的Rab5蛋白并與之結合。
更小的Rab5的結合沿著EEA1的細長結構發送信息，從而增加其靈活性，類似于烹飪軟化意大利面。這種柔韌性變化產生一種力，將囊泡拉向目標膜，在那里發生對接和融合。然而，研究小組還假設EEA1可以在柔性和剛性狀態之間切換，類似于機械運動，只需與Rab5單獨相互作用。
圖2 EEA1經歷了依賴Rab5的靈活性轉變，可以使用FCS實驗進行測量。
這就是當前研究的出發點，通過該研究的兩位第一作者的博士工作形成。來自MPI-CBG Marino Zerial研究小組的Joan Antoni Soler和來自Shashi Thutupalli研究小組的Anupam Singh，是班加羅爾NCBS西蒙斯生物機器研究中心的生物物理學家，他們開始實驗觀察這個馬達的作用。
為了研究EEA1蛋白的動力學，Anupam Singh于2019年在MPI-CBG呆了三個月。“當我遇到瓊時，我向他解釋了測量EEA1蛋白質動力學的想法。但這些實驗需要對蛋白質進行特定的修飾，以便根據其結構變化來測量其靈活性，"Anupam說。
Joan Antoni總結：“表征EEA1蛋白的方法可以回答EEA1和Rab5是否形成雙組分馬達，正如之前所懷疑的那樣。我意識到獲得正確分子的困難可以通過修飾EEA1蛋白來解決，使熒光團附著在特定的蛋白質區域上。這種修飾可以更容易地表征蛋白質結構以及當它與Rab5相互作用時可能發生的變化。"
有了合適的蛋白質分子和合作者Janelle Lauer (Marino Zerial研究小組的高級博士后研究員)的寶貴支持，Joan和Anupam能夠利用MPI-CBG和NCBS的光學顯微鏡設備提供的先進激光掃描顯微鏡徹(空)底表征EEA1的動力學。引人注目的是，他們發現EEA1蛋白可以經歷多個靈活性轉變周期，從剛性到柔性，再回到剛性，這僅僅是由它與GTPase Rab5相互作用釋放的化學能驅動的。這些實驗表明EEA1和Rab5組成了GTP驅動的雙組份電機。
為了解釋這些結果，PoL和BIOTEC的通訊作者之一、研究小組組長Marcus Jahnel開發了一個新的物理模型來描述摩托車中化學和機械步驟之間的耦合。與Stephan Grill和Shashi Thutupalli一起，生物物理學家還能夠計算出新的運動系統的熱力學效率，這與傳統的atp驅動的運動蛋白相當。
“我們的研究結果表明，蛋白質EEA1和Rab5作為一個雙組分分子運動系統一起工作，可以將化學能轉化為機械能。因此，它們可以在膜運輸中發揮積極的機械作用。產生力的分子運動機制可能在其他分子中保守，并被其他幾個細胞室使用，"Marino Zerial總結了這項研究。
Marcus Jahnel補充道:“我很高興我們終于可以測試EEA1-Rab5電機的想法。很高興看到這些新實驗證實了這一點。大多數分子馬達使用一種叫做ATP的普通細胞燃料。小的GTP酶消耗另一種燃料，GTP，并且主要被認為是信號分子。它們還可以驅動分子系統產生力并移動物體，這讓這些豐富的分子有了一個有趣的新視角。"
Stephan Grill也同樣興奮:“這是一種新型分子馬達！它不像驅動馬達那樣沿著微管運輸貨物，而是在原地工作。它有點像章魚的觸手。"
“我們使用的模型的靈感來自經典的斯特林發動機循環。傳統的斯特林發動機是通過膨脹和壓縮氣體來產生機械功的，而本文所描述的雙組分電機則是利用蛋白質作為工作基質，通過改變蛋白質的柔韌性來產生力。因此，這種類型的機制為合成蛋白質引擎的開發開辟了新的可能性，"Shashi Thutupalli補充道。
總之，作者希望這一新的跨學科研究能為分子細胞生物學和生物物理學開辟新的研究途徑。
參考資料：
[1] Two-component molecular motor driven by a GTPase cycle
