Muitas bactérias e algas unicelulares têm bombas acionadas por luz em suas membranas celulares:proteínas que mudam de forma quando expostas a fótons, de modo que podem transportar átomos carregados para dentro ou para fora da célula. Graças a essas bombas, seus proprietários unicelulares podem se ajustar ao valor de pH ou salinidade do ambiente.
Uma dessas bactérias é a Nonlabens marinus, descoberta pela primeira vez em 2012 no Oceano Pacífico. Entre outros, possui uma proteína rodopsina em sua membrana celular que transporta ânions cloreto de fora para dentro da célula. Assim como no olho humano, uma molécula da retina ligada à proteína se isomeriza quando exposta à luz. Esta isomerização inicia o processo de bombeamento. Os pesquisadores agora obtiveram informações detalhadas sobre como funciona a bomba de cloreto em Nonlabens marinus.

O estudo foi liderado por Przemyslaw Nogly, que já foi pós-doutorando na PSI e agora é Ambizione Fellow e Group Leader da ETH Zürich. Com sua equipe, ele combinou experimentos em duas instalações de pesquisa em grande escala da PSI, a Swiss Light Source SLS e o laser de elétrons livres de raios X SwissFEL. Dinâmicas mais lentas na faixa de milissegundos foram investigadas por meio de cristalografia serial resolvida no tempo no SLS, enquanto eventos mais rápidos, até picossegundos, foram capturados no SwissFEL - então ambos os conjuntos de dados foram reunidos.

"Em um artigo, exploramos as vantagens de duas instalações de última geração para contar a história completa desta bomba de cloreto", diz Nogly. Jörg Standfuss, coautor do estudo que montou uma equipe PSI dedicada a criar esses filmes moleculares, acrescenta que "essa combinação permite pesquisas biológicas de primeira classe, como só seria possível em muito poucos lugares do mundo além do PSI".

Sem refluxo

Como o estudo revelou, o ânion cloreto é atraído por um patch carregado positivamente da proteína rodopsina na membrana celular de Nonlabens marinus. Aqui, o ânion entra na proteína e finalmente se liga a uma carga positiva na molécula da retina dentro. Quando a retina isomeriza devido à exposição à luz e vira, ela arrasta o ânion cloreto e, assim, o transporta um pouco mais para dentro da proteína. "É assim que a energia da luz é convertida diretamente em energia cinética, desencadeando o primeiro passo do transporte de íons", diz Sandra Mous, Ph.D. aluno do grupo de Nogly e primeiro autor do artigo.

Estando agora do outro lado da molécula da retina, o íon cloreto atingiu um ponto sem retorno. A partir daqui, ele só vai mais para dentro da célula. Uma hélice de aminoácidos também relaxa quando o cloreto se move, obstruindo adicionalmente a passagem de volta para fora. “Durante o transporte, dois portões moleculares garantem que o cloreto se mova apenas em uma direção:dentro”, diz Nogly. Um processo de bombeamento no total leva cerca de 100 milissegundos.

Dois anos atrás, Jörg Standfuss, Przemyslaw Nogly e sua equipe desvendaram o mecanismo de outra bomba bacteriana acionada por luz:a bomba de sódio de Krokinobacter eikastus. Os pesquisadores estão ansiosos para descobrir os detalhes das bombas acionadas por luz porque essas proteínas são ferramentas optogenéticas valiosas:geneticamente modificadas em neurônios de mamíferos, elas possibilitam controlar as atividades dos neurônios pela luz e, assim, pesquisar sua função.