Překvapivý objev: Bakterie odhaluje, jak kyselost ovládá životně důležitý vápník v buňkách

Vědci nedávno odhalili, že i malá změna kyselosti může mít zásadní dopad na svět kolem nás, podobně jako citron mění chuť jídla nebo ocet konzervuje zeleninu. Tyto známé jevy jsou způsobeny protony, drobnými nabitými částicemi, které dokážou přetvářet chemické interakce.

Vědci nedávno odhalili, že i malá změna kyselosti může mít zásadní dopad na svět kolem nás, podobně jako citron mění chuť jídla nebo ocet konzervuje zeleninu. Tyto známé jevy jsou způsobeny protony, drobnými nabitými částicemi, které dokážou přetvářet chemické interakce. Nová studie publikovaná v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences ukázala, že protony mohou také ovládat skrytou bránu uvnitř buněčné membrány. Konkrétně bylo zjištěno, že membránový protein dokáže přeměnit kyselost na tok vápníku pomocí dvou drobných molekulárních spon s odlišnými funkcemi.

Vápník je mnohem více než jen minerál v kostech. Uvnitř buněk funguje jako signál, který pomáhá buňkám komunikovat, reagovat na stres, pohybovat se, růst a rozhodovat o přežití. Protože je vápník tak mocný, musí buňky jeho pohyb pečlivě kontrolovat. Příliš malý tok vápníku může oslabit důležité signály, zatímco příliš velký může způsobit stres nebo poškození. Vědci studovali tento problém pomocí vápníkového únikového kanálu nazvaného BsYetJ, proteinu z bakterie Bacillus subtilis. Tento protein patří do starobylé rodiny membránových proteinů (TMBIM), které se vyskytují i u lidí a jsou zapojeny do rovnováhy vápníku a buněčných stresových drah. BsYetJ tak posloužil jako užitečný model pro zodpovězení základní otázky: Jak drobný membránový protein vnímá kyselost a rozhoduje, kdy má vápník projít?

Odpověď spočívala ve dvou branách, nikoli v jedné. Obě brány jsou solné můstky, což jsou přitažlivosti mezi opačně nabitými částmi proteinu, které lze přirovnat k elektrostatickým sponám. První spona funguje jako západka. Když protony oslabí tento solný můstek, část proteinu se pohne, což zvyšuje pravděpodobnost otevření kanálu. Tato spona tedy řídí, jak často se dveře otevírají. Druhá spona funguje odlišně. Nachází se blízko místa vstupu vápníku a neřídí primárně velký otevírací pohyb. Místo toho ladí lokální elektrické prostředí uvnitř póru, což mění, jak snadno se ionty vápníku pohybují kanálem poté, co se cesta otevře. Tento objev změnil pohled na iontové kanály, které se často popisují jako jednoduše otevřené nebo zavřené. Výsledky však ukázaly nuancovanější obraz: jedna molekulární vlastnost může řídit, jak často se dveře otevírají, zatímco druhá kontroluje, kolik provozu projde pokaždé, když se otevřou.

Pro vizualizaci proteinových pohybů vědci použili spektroskopii dvojité elektron-elektronové rezonance (DEER), která jim umožnila měřit vzdálenosti v nanometrovém měřítku uvnitř proteinu. Měření ukázala, že jedna transmembránová šroubovice se posouvá, když se uvolní protonově citlivá západka. Tyto údaje byly poté zkombinovány s molekulárním modelováním a simulacemi k vytvoření strukturních modelů uzavřených a otevřených stavů, které odhalily souvislý tunel proteinem. Klíčovou výzvou však zůstalo ověření mechanismu v živých buňkách. Vědci proto použili nanodisky – malé záplaty lipidové membrány, které mohou nést purifikované membránové proteiny. BsYetJ byl sestaven do nanodisků a proteiny byly dodány přímo do membrán savčích buněk. Tento přístup umožnil testovat definované varianty proteinu bez nutnosti genetické manipulace buněk. Výsledky z buněk se shodovaly s experimenty na umělých membránách, což potvrdilo mechanismus dvou spon.