细胞有一个迷人的功能，可以通过使用称为分子马达的微型蛋白质机器来整齐地组织它们的内部，这些机器可以产生定向运动。它们中的大多数使用一种常见的燃料，一种称为 ATP 的化学能来运行。现在，来自德国德累斯顿 TU Dresden 的马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所 (MPI-CBG)、卓越生命物理学​​集群 (PoL) 和生物技术中心 (BIOTEC) 的研究人员，以及国家生命科学中心印度班加罗尔的生物科学 (NCBS) 发现了一种新型分子系统，该系统使用替代化学能并采用新型机制来执行机械功。通过反复收缩和扩张，这种分子马达的功能类似于经典的斯特林发动机，有助于将货物分配给膜结合的细胞器。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，并且由 GTP 而不是 ATP 驱动。结果发表在《自然物理学》杂志上。

电池中弦形电机的替代燃料

运动蛋白是细胞内非凡的分子机器，可将存储在称为 ATP 的分子中的化学能转化为机械功。最突出的例子是肌球蛋白，它可以帮助我们的肌肉运动。相反，作为小蛋白的 GTP 酶并未被视为分子力发生器。一个例子是由两种蛋白质组成的分子马达，EEA1 和 Rab5。2016 年，由 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)组成的细胞生物学家和生物物理学家组成的跨学科团队发现，小 GTP 酶蛋白 Rab5 可能引发收缩欧洲经济区1。这些绳状系链蛋白可以识别囊泡膜中存在的 Rab5 蛋白并与其结合。小得多的 Rab5 的结合沿着 EEA1 的细长结构发送信息，从而增加其灵活性，类似于烹饪如何软化意大利面。这种柔韧性变化会产生一种力，将囊泡拉向目标膜，在那里发生对接和融合。然而，该团队还假设 EEA1 可以在灵活和刚性状态之间切换，类似于机械马达运动，只需与 Rab5 单独交互即可。

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。MPI-CBG 的 Marino Zerial 研究小组的 Joan Antoni Soler 和班加罗尔 NCBS 西蒙斯活体机器研究中心的生物物理学家 Shashi Thutupalli 小组的 Anupam Singh 着手通过实验观察这种电机的运行情况。

考虑到研究 EEA1 蛋白质动力学的实验设计，Anupam Singh 于 2019 年在 MPI-CBG 待了三个月。“当我遇到 Joan 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修饰，以便根据其结构变化测量其灵活性，”Anupam 说。Joan Antoni Soler 在蛋白质生物化学方面的专业知识非常适合这项具有挑战性的任务。“我很高兴得知表征方法EEA1 蛋白可以回答 EEA1 和 Rab5 是否如先前所怀疑的那样形成双组分马达。我意识到获得正确分子的困难可以通过修改 EEA1 蛋白以允许荧光团附着到特定的蛋白质区域来解决。

凭借合适的蛋白质分子和合著者 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 能够使用光学显微镜设备提供的先进激光扫描显微镜彻底表征 EEA1 的动力学在 MPI-CBG 和 NCBS。引人注目的是，他们发现 EEA1 蛋白可以经历多个柔性转换周期，从刚性到柔性再返回，完全由其与 GTPase Rab5 相互作用释放的化学能驱动。这些实验表明 EEA1 和 Rab5 形成了 GTP 驱动的双组件电机。为了解释结果，PoL 和 BIOTEC 的通讯作者之一兼研究组组长 Marcus Jahnel，开发了一种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。

“我们的结果表明，蛋白质 EEA1 和 Rab5 作为一个双组分分子马达系统协同工作，可以将化学能转化为机械功。因此，它们可以在膜运输中发挥积极的机械作用。力-产生分子马达的机制可能在其他分子中是保守的，并被其他几个细胞区室使用，”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 马达的想法。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 的常见细胞燃料。小 GTPases 消耗另一种燃料类型 GTP，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使物体四处移动，这让这些丰富的分子有了有趣的新视角。” Stephan Grill 同样兴奋：“这是一类新的分子马达!这个不会像沿着微管运输货物的驱动蛋白马达那样四处移动，而是在保持原位的同时执行工作。这有点像章鱼的触手。”

“我们使用的模型受到经典斯特林发动机循环的启发。虽然传统的斯特林发动机通过膨胀和压缩气体产生机械功，但所描述的双组分发动机使用蛋白质作为工作基质，蛋白质的柔韧性变化导致力代。因此，这种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。

总的来说，作者希望这项新的跨学科研究能够为分子细胞生物学和生物物理学开辟新的研究途径。