Angew. Chem. ：单个天然发光细菌中可视化Na+/H+反转运体的间歇性开闭

Na⁺/H⁺反转运体作为细胞中次级运输的主要承担者，对离子的跨膜输运发挥着重要作用。通过对钠离子和氢离子的反向运输，起到维持胞内pH稳态和细胞体积的作用。尽管离子通道间歇性门控的工作机制早已被人们发现，但是次级转运体的动力学过程还尚未搞清楚，亟需构建一种能够连续监测细胞内次级转运体活性的方法。发光细菌是一种能够自发光的生物体，发光机理为荧光素在荧光素酶的催化下被氧气氧化，释放出光子的过程。其发光强度反映了细胞新陈代谢活性，被广泛应用于环境应急监测和生物成像中。

近日，南京大学王伟教授课题组以野生型发光细菌P. phosphoreum为研究模型，发现了碱性溶液中生物发光的闪烁现象，实验证明这与细胞内Na⁺/H⁺反转运体——NhaA的活性有关，并且该过程中也伴随着膜电位的同步变化。

图1. 细菌生物发光闪烁特点的基本描述

作者利用单细胞生物发光成像技术，首次发现野生型的单个发光细菌P.phosphoreum在碱性溶液中存在自发和随机的生物发光闪烁现象。研究发现这种现象是由带电的NhaA在活性和非活性两种构象之间随机转化引起的，在这过程中细胞膜内快速去极化，暂时抑制呼吸链的活性，导致生物发光下降，然后在H⁺-ATPase以及钠的同向转运体的作用下，使得细胞膜电势和生物发光恢复。从构象的角度而言，NhaA通过控制某些残基的去质子化，诱导构象发生转变，激活转运体的活性，我们计算了这一过程的活化能大约是20.3 kJ/mol。并且通过膜电位的荧光探针TMRM与生物发光同步记录，发现细菌生物发光闪烁的同时，膜电位也发生相应的变化。

图2. 基于功率谱密度的数据处理方法，进一步表明生物发光闪烁实则为NhaA构象转化

图3. 荧光和生物发光同步实验，活化能计算以及生物发光闪烁机理图

总结来说，作者发现了天然发光细菌的生物发光闪烁现象，这项研究不仅首次证明了NhaA在无化学标记和基因改造的发光细菌中，具有间歇性开闭的动力学特点，而且为发光细菌作为一种新的模式菌株，快速灵敏地报告细胞生理和新陈代谢活性（比如膜电势）开辟了新的研究思路。

论文信息

Visualizing the Intermittent Gating of Na+/H+ Antiporters in Single Native Bioluminescent Bacteria

Yaohua Li, Haoran Li, Jia Gao, Ben Niu, Prof. Huan Wang, Prof. Wei Wang*

南京大学化学专业博士研究生厉耀华为论文的第一作者，王伟教授为论文的通讯作者。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215800