关于“水线”的新发现与数十年来被接受的计算模型相矛盾

我们的每个细胞都被一个复杂的膜包围着，该膜起着生物边界的作用，使离子和营养盐，钾，糖等进出。防护是膜蛋白，它们在允许或阻止这些分子的运输方面起着艰苦的作用。

被认为是众所周知的，被称为水线的键合水分子串在此过程中起着重要作用。现在，位于佛罗里达州立大学总部的国家高磁场实验室（MagLab）的一个团队正在颠覆长达数十年的假设，即它们如何与蛋白质相互作用。

他们的论文今天发表在《美国国家科学院院刊》上。

尽管科学家们知道水线在跨细胞膜传导营养方面发挥了作用，但他们却大大低估了它们与膜通道的相互作用。研究人员说，这一发现具有广泛的影响，并质疑水在其他蛋白质内部的行为的现有模型。

国家生物学实验室位于塔拉哈西的核磁共振（NMR）设施负责人，罗伯特·劳顿（Robert O. Lawton）化学教授的通讯作者蒂姆·克罗斯（Tim Cross）说：“从生物学的角度来看，这才变得真正有趣。”“现在，我们了解到，水与衬在孔隙中的蛋白质氧原子之间的相互作用将比任何人预期的都要强大得多。这将影响这些蛋白质的功能。”

克罗斯补充说，这项工作也很重要，因为它展示了一种独特的，世界纪录的磁体，即“串联连接的杂种”（SCH），如何使科学家们获得有关蛋白质和其他生物系统的新细节。

他们的研究集中在短杆菌肽A（一种形状像螺旋状的抗生素肽（或小蛋白））上。这些分子中的两个彼此堆叠在一起，在某些细胞膜上形成一条狭窄的通道，离子可以通过该通道进入和流出。在此过程中，横跨通道长度的八分子长的水线充当一种润滑剂。这些水分子中的氢与围绕它们的短杆菌肽中的一些氧原子键合。水线分子的取向被认为极快地翻转，与短杆菌肽A中的氧原子结合和不结合几纳秒。

但是，当MagLab团队仔细研究该系统时，他们发现了一些使这一主流观点产生疑问的东西。他们的第一个线索是在两年前，当时当时是MagLab的博士后研究员，与Cross合作的Joana Paulino将一些经过特殊处理的短杆菌肽A放入SCH并进行了一些NMR实验。

科学家使用NMR机器可以更好地了解蛋白质和病毒等复杂分子的结构和功能。他们可以调整机器，以识别例如样品中的所有钠原子及其相对于其他原子的方向。每个原子将一个讲故事的信号发送回机器。

但是有些原子比其他原子更容易通过NMR检测。例如，氧气很难看到。因此，直到最近，NMR中几乎看不到人体中生物活性最高的原子之一。部分由于强大的磁体产生36特斯拉（磁场强度的单位）的磁场，SCH可以“看到”氧气。

Paulino正在研究的特定大蒜素样品早在几年前就已经在MagLab的另一种强大NMR磁体中进行了深入研究。克罗斯的研究始于他对gramicidin的研究，该研究被认为是一种完全对称的结构：他期望的最后一件事是一个惊喜。

短杆菌肽样品由两个相同的，堆叠的螺旋分子组成。保利诺检查了两个原子上完全相同的氧原子，希望更灵敏的SCH能够从这两个原子中检测到比以前观察到的更清晰的信号。

但是她没有看到一个氧气信号：她看到了两个。

乍一看，结果似乎表明完全对称的短杆菌肽A模型（Cross任职期间的模型）有些不对劲。他对保利诺的测量结果的立即反应是：“嗯，那一定是错的。”

他的下一个想法：“或者，这可能是非常有趣的事情。”

重复的实验表明，保利诺的第一个结果确实是正确的-但不是因为这些分子是不对称的。而是，SCH非常灵敏，以至于它检测到一个与水电线结合的短杆菌肽氧的信号，以及一个与未结合到电线的短杆菌素氧的信号。

团队花了多年的时间进行更多的实验，以确保他们了解自己所看到的。

论文的主要作者，现为加利福尼亚大学生物化学与生物物理学的博士后的鲍里诺说：“每次我们在不同的氧气位点上标记出的短杆菌肽样品，我们看到两个峰，我们都会跳一点舞。”在旧金山。

研究人员确定，SCH能够检测结合氧的信号这一事实意味着水线与gramacidin A的孔壁之间的相互作用更强，更持久-延长一百万倍以上，实际上，超出了科学家的想象。

克罗斯说：“与该过程相关的能量显然与想象的不同。”“因此，我们现在需要回过头来看看能量学以及这些水丝的实际功能。”

该发现与许多其他类型的蛋白质有关，这些蛋白质在其细胞膜中具有水丝。

克罗斯说：“现在的兴奋点是，真正开始考虑蛋白质中所有其他能传导生命必需离子的水线，并了解这将如何影响这些相互作用和电导率。”

克罗斯说，这一发现很可能使某些科学羽毛动摇，因为它们与已经接受了数十年的水线分子动力学的计算模型相矛盾。

克罗斯解释说：“科学家对很多事情都有很好的理解。”“但是每隔一段时间，有些事情突然出现，迫使我们重新思考。到目前为止，没有任何东西可以暗示这些计算研究存在问题。”

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参考：Joana Paulino，Myunggi Yi，Ivan Hung，甘哲宏，王小玲，Eduard Y.Chekmenev，周欢翔和Timothy A.Cross撰写的“离子通道中水线-羰基相互作用的功能稳定性”，2020年5月15日，会议记录美国国家科学院
10.1073 / pnas.2001083117

对该论文做出贡献的其他作者有：朴庆国大学的Myunggi Yi； MagLab的Ivan Hung和Gan Zhehong Gan；王小玲，曾任MagLab教授，现在在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校任教；韦恩州立大学和俄罗斯科学院的爱德华·切克梅涅夫；和伊利诺伊大学芝加哥分校的周焕祥。

国家高磁场实验室由国家科学基金会和佛罗里达州资助，并在佛罗里达州立大学，佛罗里达大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室开展业务。