Proteorhodopsin（變形菌視紫質(zhì)）是多種海洋細(xì)菌中都擁有的光敏感性蛋白,。美國能源部Lawrence Berkeley實驗室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員證明,，當(dāng)環(huán)境中氧氣不足時,，擁有Proteorhodopsin的細(xì)菌將改用太陽能完成重要的生命活動。
“我們的研究顯示Proteorhodopsin只有在特定環(huán)境中,，即細(xì)胞的呼吸能力被削弱時才彌補(bǔ)細(xì)菌的能量平衡,，”研究人員Jan Liphardt說，“Proteorhodopsin如同一個細(xì)胞能量源,，通過捕獲光能彌補(bǔ)細(xì)菌呼吸作的不足,。這種抵擋氧剝奪的能力可用于解釋為何如此多的海洋細(xì)菌表達(dá)Proteorhodopsin。”Liphardt認(rèn)為,，利用多種能源的細(xì)菌比利用單一能源的細(xì)菌,，可能更適合生物能源產(chǎn)業(yè)。研究結(jié)果刊登于PNAS,，題為《Light-powering Escherichia coli with proteorhodopsin》,。
當(dāng)proteorhodopsin編碼基因在2000年首度“亮相”于海洋細(xì)菌基因組時，在生物界引發(fā)了不小轟動,，這項發(fā)現(xiàn)提示擁有proteorhodopsin的細(xì)菌也具有呼吸能力,。
后繼實驗證明proteorhodopsin是一個光驅(qū)動質(zhì)子泵（light-driven proton pump），能夠傳送質(zhì)子通過細(xì)胞膜,，以儲存電能,。在這一點上，proteorhodopsin與另一個蛋白——bacteriorhodopsin非常相似,，bacteriorhodopsin是生長在鹽池中的細(xì)菌彌補(bǔ)呼吸所用,。然而將含有proteorhodopsin的細(xì)菌暴露于陽光，proteorhodopsin并不起作用,。那么proteorhodopsin的實際作用是什么,？Kalmar大學(xué)Jarone Pinhassi最近發(fā)現(xiàn),，光可刺激某些攜帶proteorhodopsin的海洋細(xì)菌生長，說明某些細(xì)菌可以利用proteorhodopsin為能源,，彌補(bǔ)呼吸不足,，但proteorhodopsin用哪種波長的光仍不清楚。
“我們認(rèn)為,，如果你擁有可以捕獲兩種不同能源能量的系統(tǒng),，除去其中的一種能源，很可能會增加對另外一種能源（的使用）,，”Liphardt說,，“想象一個電容器，如果容量已滿,，接通一組電池不會引起任何反應(yīng),。但是當(dāng)你清空電容器后再接通電池,，會有電流出現(xiàn),。”
為了觀察proteorhodopsin的作用，以及測量效果的大小,，Liphardt與其同事利用遺傳工程方法,，得到能夠表達(dá)光－敏感蛋白的Escherichia coli, Walter說
E.coli的能量代謝已經(jīng)被研究透徹，是觀測proteorhodopsin活性的一個極好模型,?？梢酝ㄟ^氧損耗或者呼吸鏈毒物削弱細(xì)菌的呼吸作用。
Berkeley研究人員操縱單一E.coli,，觀察其對質(zhì)子動力（proton motive force,，pmf）光的反應(yīng)?？缂?xì)胞膜的質(zhì)子的電化學(xué)潛力作為細(xì)菌所用能源,，除了其它功能外，驅(qū)動鞭毛回轉(zhuǎn)馬達(dá),。“我們發(fā)現(xiàn)削弱E.coli的呼吸作用后,，如果對E.coli細(xì)胞進(jìn)行光照，它們根據(jù)光的顏色決定是游動還是停止,，”Walter說,，“proteorhodopsin的吸收光譜在綠色波長處有峰，細(xì)胞暴露于綠光后會游動,，暴露于紅光后會停止,。”
沒有呼吸毒素的情況下，綠光對這些遺傳工程改造E.coli的鞭毛馬達(dá)不起作用,。研究人員通過測量不同濃度毒素或者各種光照強(qiáng)度情況下單一細(xì)胞的pmf,，量化光驅(qū)動和呼吸鏈質(zhì)子流之間的相關(guān)性,。在最高毒素濃度以及綠光源下，細(xì)胞運動速度平均上升70％,。對照組正常E.coli細(xì)胞,，對綠光源沒有反應(yīng)。
接下來是摸索遺傳工程菌所吸收的最優(yōu)化光量,。研究人員首先鑒別proteorhodopsin的最有效形式,，然后通過增加或減少關(guān)鍵基因，對細(xì)菌的基因組進(jìn)行改造,。
