生物通报道：Proteorhodopsin（变形菌视紫质）是多种海洋细菌中都拥有的光敏感性蛋白。美国能源部Lawrence Berkeley实验室和加州大学伯克力分校的研究人员证明，当环境中氧气不足时，拥有Proteorhodopsin的细菌将改用太阳能完成重要的生命活动。

“我们的研究显示Proteorhodopsin只有在特定环境中，即细胞的呼吸能力被削弱时才弥补细菌的能量平衡，”研究人员Jan Liphardt说，“Proteorhodopsin如同一个细胞能量源，通过捕获光能弥补细菌呼吸作的不足。这种抵挡氧剥夺的能力可用于解释为何如此多的海洋细菌表达Proteorhodopsin。”Liphardt认为，利用多种能源的细菌比利用单一能源的细菌，可能更适合生物能源产业。研究结果刊登于《PNAS》，题目为《Light-powering Escherichia coli with proteorhodopsin》。

当proteorhodopsin编码基因在2000年首度“亮相”于海洋细菌基因组时，在生物界引发了不小轰动，这项发现提示拥有proteorhodopsin的细菌也具有呼吸能力。

后继实验证明proteorhodopsin是一个光驱动质子泵（light-driven proton pump），能够传送质子通过细胞膜，以储存电能。在这一点上，proteorhodopsin与另一个蛋白——bacteriorhodopsin非常相似，bacteriorhodopsin是生长在盐池中的细菌弥补呼吸所用。然而将含有proteorhodopsin的细菌暴露于阳光，proteorhodopsin并不起作用。那么proteorhodopsin的实际作用是什么？Kalmar大学Jarone Pinhassi最近发现，光可刺激某些携带proteorhodopsin的海洋细菌生长，说明某些细菌可以利用proteorhodopsin为能源，弥补呼吸不足，但proteorhodopsin用哪种波长的光仍不清楚。

“我们认为，如果你拥有可以捕获两种不同能源能量的系统，除去其中的一种能源，很可能会增加对另外一种能源（的使用），” Liphardt说，“想象一个电容器，如果容量已满，接通一组电池不会引起任何反应。但是当你清空电容器后再接通电池，会有电流出现。”

为了观察proteorhodopsin的作用，以及测量效果的大小，Liphardt与其同事利用遗传工程方法，得到能够表达光－敏感蛋白的Escherichia coli。Walter说 E.coli的能量代谢已经被研究透彻，是观测proteorhodopsin活性的一个极好模型。可以通过氧损耗或者呼吸链毒物削弱细菌的呼吸作用。

Berkeley研究人员操纵单一E.coli，观察其对质子动力（proton motive force ，pmf）光的反应。跨细胞膜的质子的电化学潜力作为细菌所用能源，除了其它功能外，驱动鞭毛回转马达。“我们发现削弱E.coli的呼吸作用后，如果对E.coli细胞进行光照，它们根据光的颜色决定是游动还是停止，” Walter说，“proteorhodopsin的吸收光谱在绿色波长处有峰，细胞暴露于绿光后会游动，暴露于红光后会停止。”

            携带eorhodopsin的工程菌在红光和绿光下的运动方式

没有呼吸毒素的情况下，绿光对这些遗传工程改造E.coli的鞭毛马达不起作用。研究人员通过测量不同浓度毒素或者各种光照强度情况下单一细胞的pmf，量化光驱动和呼吸链质子流之间的相关性。在最高毒素浓度以及绿光源下，细胞运动速度平均上升70％。对照组正常E.coli细胞，对绿光源没有反应。

图：携带proteorhodopsin的E.coli的跨膜电流和质子泵。呼吸和光驱动质子泵是质子动力源，可以驱动ATP合成和鞭毛马达旋转。

接下来是摸索遗传工程菌所吸收的最优化光量。研究人员首先鉴别proteorhodopsin的最有效形式，然后通过增加或减少关键基因，对细菌的基因组进行改造。（生物通记者 小粥）