人物：他是如何一步步解决难题的

同期Nature Methods报道Bamberg研究组的一项最新成果：看似简单的融合方法解决了光遗传学研究的一大问题。之前的研究表明channelrhodopsin-2受到蓝光的刺激时……

　　

生物通报道：《Nature Methods》本月介绍了一位来自德国马普研究院的科学家：Ernst Bamberg，十年前，这位科学家与另外两位电生理研究领域的著名学者Georg Nagel和Peter Hegemann，共同开始了探索引导绿藻向光性的蛋白的道路，这种蛋白与之前所知的光感蛋白不同，比如光活化细菌离子泵，这种藻类视紫质（algal rhodopsins）蛋白属于光控离子通道，反应更快。

上文链接：Nat Methods人物：光控蛋白研究领衔者

除此之外，此次同期Nature Methods还报道Bamberg研究组的一项最新成果：看似简单的融合方法解决了光遗传学研究的一大问题。之前的研究表明channelrhodopsin-2受到蓝光的刺激时，会导致阳离子通过细胞膜，细胞去极化，神经元激活，而盐菌紫质（halorhodopsin）在受到橙色光的刺激时，则会引发氯离子通过细胞膜，细胞极化，阻止细胞激活。

如果能很好的利用这一现象，就能更好的通过光遗传学分析生物现象，但是要实现这个方法，却不容易，因为当细胞表达两种光遗传学蛋白的时候，它们表达两种蛋白的表达水平不均衡，一种可能很多，而另一种可能很少。而且不同细胞的表达比率也不一致。

为了解决这个问题，Bamberg研究组想到了一个看似简单的方法：他们利用一种蛋白工程方法，研发了一种融合蛋白，这种蛋白中两个光遗传学工具物理上相连，这样这两个蛋白不仅会一起表达了，而且还会同时出现在细胞膜上。 下篇：

具体的细节当然更复杂——如果这两种蛋白直接物理上连接，那么其中一种就会关闭另外一种，因此研究人员在其中添加了一个螺旋helix，为了能连接这两种蛋白，他们选择的是大鼠一种ATP酶中的一部分，和一个荧光蛋白的一部分。

最初这看起来十分不错，这一融合体似乎能出现在细胞膜上了，“我们看到了一些成果，感到十分高兴”，Bamberg表示，“然后我们开始分析这些数据，结果我们发现这个融合体无法正常工作”，挫折并不意外，Bamberg说，“科学就是这样，你不能定下一个（完整的）计划，说这一定能行。”

Bamberg研究组继续进行了改造：改变连接体长度，开启每一种视紫红质所在那一边的连接体，最终，在尝试了约20个融合体后，他们获得了可靠的结果，这对蛋白能精确的调控培养神经细胞中的膜电位。

就像是作为嘉奖，这个连接体被发现能作用于几种光遗传学工具中，除了连接channelrhodopsin-2和halorhodopsin外，研究人员还将蓝光作为吸收光源的channelrhodopsin-2，与黄光作为吸收光源的channelrhodopsin-1连接了起来，可以用于在可见光广谱范围内激活神经细胞。“现在我们有了能将各种视紫质连接在一起的‘磁带’了”，Bamberg说。

这项成果无疑是重要的，因为利用这种方法，光遗传学工具能帮助科学家们精确激活或者移植某种特殊的神经元，从而在大脑神经功能研究，行为研究中大放异彩。目前研究人员还打算在模式动物中进行进一步的分析实验。

作为2010年最受关注的技术成果，光遗传学工具不仅能用于神经研究领域，比如激活清醒哺乳动物的单一神经元，直接演示神经元激活表现出的行为结果，而且还能拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域，这一技术开辟了一个新的令人激动的研究领域，科学家们可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

（生物通：张迪）

原文摘要：

The author file: Ernst Bamberg

Ernst Bamberg has grown used to surprises from microbial rhodopsins. About a decade ago, he, together with Georg Nagel and Peter Hegemann, characterized the proteins that help green algae move toward light. Unlike previously known light-sensing proteins, such as light-activated bacterial ion pumps, algal rhodopsins are light-gated ion channels that operate on a much faster time scale.

A gene-fusion strategy for stoichiometric and co-localized expression of light-gated membrane proteins
The precise co-localization and stoichiometric expression of two different light-gated membrane proteins can vastly improve the physiological usefulness of optogenetics for the modulation of cell excitability with light. Here we present a gene-fusion strategy for the stable 1:1 expression of any two microbial rhodopsins in a single polypeptide chain. By joining the excitatory channelrhodopsin-2 with the inhibitory ion pumps halorhodopsin or bacteriorhodopsin, we demonstrate light-regulated quantitative bi-directional control of the membrane potential in HEK293 cells and neurons in vitro. We also present synergistic rhodopsin combinations of channelrhodopsin-2 with Volvox carteri channelrhodopsin-1 or slow channelrhodopsin-2 mutants, to achieve enhanced spectral or kinetic properties, respectively. Finally, we demonstrate the utility of our fusion strategy to determine ion-turnovers of as yet uncharacterized rhodopsins, exemplified for archaerhodopsin and CatCh, or to correct pump cycles, exemplified for halorhodopsin.