日本京都产业大学生命科学部的横山谦教授、中野敦树客座研究员等组成的研究团队，与国立研究开发法人理化学研究所放射光科学研究中心、高亮度光科学研究中心、大阪大学超高电压电子显微镜中心、京都工艺纤维大学开展联合研究，成功将ATP合成酶嵌入到了“仿生膜囊泡”中，并通过冷冻电子显微镜捕捉到实际产生氢离子流的状态。该成果有望应用于药物靶点膜蛋白的结构解析。相关研究成果已发表在期刊《Science Advances》网络版的10月17日刊上。
图 1：基于扭转作用的ATP合成机制。通过质子驱动力带动c－ring旋转，使定子与转子部分产生分子内扭转，当积累的分子内扭转释放时，会引发含催化位点的膜外部分发生结构变化，进而合成ATP。（供图：京都产业大学横山教授）
包裹细胞的生物膜上存在多种膜蛋白，它们承担着控制营养物质与离子进出及传递信息等功能。多数药物都以这些膜蛋白为靶点发挥作用。
ATP被称为生命的能量货币，由线粒体膜蛋白——ATP合成酶合成。ATP合成酶具有嵌入膜内部分与突出膜外部分的复杂结构，嵌入膜内部分通过氢离子流（质子驱动力）带动环状结构旋转，并将旋转传递至膜外部分后便可合成ATP。
然而，此前研究无法直接观察质子驱动力作用过程中的结构，只能对从膜中提取出的状态进行解析。
对此，此次研究团队为捕捉ATP合成酶的动态瞬间，将细菌来源的ATP合成酶与可利用光能运输氢离子的膜蛋白“细菌视紫红质”，共同嵌入人工制备的仿生膜囊泡（脂质体）。当在光照条件下，细菌视紫红质会将氢离子运输至囊泡内，形成质子驱动力。如果在此时加入ATP的材料物质ADP和磷酸，便会启动ATP合成酶介导的ATP合成反应。
通过冷冻电子显微镜观察确认，无质子驱动力时，ATP合成酶的催化位点上可检测到ADP；存在质子驱动力时，催化位点上可检测到ATP，研究人员成功捕捉到酶实际合成ATP时的结构。
此外，研究人员还确认到膜内环状部分（c-ring）发生约30度旋转的结构，且膜内部分与膜外部分之间产生了“扭转”。研究认为，旋转运动转化为“分子内扭转”，正是这一作用力推动了ATP合成反应的进行。
多数药物的靶点膜蛋白嵌入生物膜中，通过生物膜两侧的质子驱动力以及离子浓度差所形成的膜电位来发挥作用。该技术有望为更高效的药物设计提供支持。
横山教授表示：“生物膜上有由离子浓度差形成的膜电位，多数膜蛋白借此实现功能。此次研究将ATP合成酶嵌入脂质体，成功确定了膜电位存在下的结构。该方法可应用于药物靶点膜蛋白的研究，膜电位条件下的结构信息将为新药研发提供新视角。本研究不仅有助于深化对ATP合成酶的理解，还有望推动膜蛋白研究与新药研发。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：Structures of rotary ATP synthase from Thermus thermophilus
during proton powered ATP synthesis
DOI：10.1126/sciadv.adx8771
