臺大和中研院合作,解出臺灣第一個七穿膜蛋白質結構

作者 | 發布日期 2015 年 12 月 17 日 11:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly

生化科技系楊啓伸副教授的「結構與感光生物實驗室」傅煦媛博士和中研院副院長王惠鈞實驗室的許敏峰博士,經多年努力終於解出了臺灣第一個七穿膜的蛋白質結構。這除了是國立臺灣大學參與解出的第一個膜蛋白質結構,也是臺灣第二個多穿膜蛋白質結構,或第三個膜蛋白質結構。



楊啓伸老師指出,這次解出此蛋白質讓科學界第一次瞭解到,這種以單一光子為能量來源就能進行質子輸送,間接生產生物能的膜蛋白質,如何可以克服外界的不利環境仍進行功能。此項重大成果在如何設計和利用這類蛋白質產生能量上,可以使產生能量的潛能提高預計達 2 至 10 倍,是此類蛋白質被發現四十年來重大的進展。

這一個紫色的蛋白質是大自然原生設計,用來將光能轉成生物能的巧妙裝置,現仍廣泛存在於一些喜歡極端環境菌類中,包括臺灣南部的鹽田中的嗜鹽古生菌。當有適合的光照波長(550 nm)菌體就會利用此光能來驅動此一蛋白質把胞內質子打出胞外,這些質子就會透過位於其旁的另一組蛋白質(ATP synthase)輕易地藉著濃度差,讓這些質子再度流入胞內。而在質子流入胞內的過程中,每三個質子就能促進一個 ATP 高能分子的合成,就像是推磨一般非常有效率、也令人讚嘆。於是利用這類蛋白質,菌體可以高枕無憂地邊享受陽光,邊源源不絕產生 ATP。這類的感光蛋白質叫「菌型視紫蛋白質」(Bacteriorhodopsin, BR)。

在此一研究中發現有一個獨特的此類的蛋白質(HwBR),其穩定性特別強,可以在別的同類蛋白質不再能產生能量的環境之下繼續輕鬆產能。由結構中看到,原因是此蛋白質面對環境的那端多出一個特別設計的「蓋子」,並且有兩個胺基酸特別地將此蓋子「粘」牢,藉此將蛋白質內部和外在環境做出隔絕。

這個發現不僅解釋了為何這個 HwBR 蛋白質可以比起其它同類的 BR 蛋白質,不怕外在環境已有高質子濃度(即酸性環境)卻仍可以有效率地把質子打出胞外。也因為發現了這個蓋子,為科學界在此類 BR 蛋白質分出一個新羣組。這個發現也對往後在蛋白質的設計工程有深刻的啟發意義。

菌型視紫感光蛋白質(Microbial rhodopsin)是有顏色的。每一個都會獨鐘於吸收某個光波長而被活化,也各自有不一樣的生理作用。可在死海中唯一能倖存的嗜鹽古生菌(Haloarcular marismortui)體內的六個感光蛋白質,由楊啓伸老師實驗室於 2010 年所發表。

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本圖為可在死海中唯一能倖存的嗜鹽古生菌(Haloarcular marismortui)體內的六個感光蛋白質。由楊啓伸老師實驗室於 2010 年所發表。

事實上,任何一個獨特膜蛋白質結構被解出都是科學上重大的突破。膜蛋白質之研究是高成本和高難度的。世界百年來至 2015 年 12 月 8 日為止已發表的十一萬四千個左右的結構檔案中,僅有 576 個不一樣的膜蛋白質。膜蛋白質結構之研究難度可見一斑。

為何研究膜蛋白質結構此難呢?因為要解結構需要大量蛋白質,但七穿膜蛋白質很難大量取得。臺大的楊啓伸老師實驗室和中研院王惠鈞副院長實驗室,對七穿膜的大量表達(用菌體生產純化之意)有重大突破,因此才能解出其結構。並且其中的一個大量表達系統向臺灣及美國申請專利,今年已獲得兩國專利局之批淮。

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除此之外,為何解出七穿膜蛋白質這麼重要?這是一個可能已在地球存在三十億年的蛋白質。這類蛋白質至今仍廣泛地為各式生物以及人類身體所利用,舉凡視覺、聽覺、嗅覺、腦神經以及甚多荷爾蒙的作用,都是這類七穿膜蛋白質來負責的。這可由目前市面上藥物有一半以上都是針對七穿膜的 GPCR 看出。2012 年的諾貝爾化學獎的受奬人之一就是 Brian K. Kobilka,以表揚他在 GPCR 七穿膜蛋白質的研究貢獻。

據瞭解,台灣目前尚有中研院馬徹博士解出一個單穿膜蛋白質結構;清大孫玉珠老師則在 2012 年解出台灣第一個多穿膜蛋白質。但七穿膜蛋白質這次卻是第一個。

這個結構恰巧將於今年(2015)聖誕節當天出版於著名的生物生理化學權威期刊 Journal of Biological Chemistry,供公眾存取的版本已可下載。 

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