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针对 Haloquadratum walsbyi 中功能未知的中间视紫红质（HwMR），研究人员开展其与 Mg2?关联机制研究。发现 HwMR 是光驱动内向镁转运蛋白，D84 为主要结合位点、T216 为转运稳定位点，为解析极端环境微生物离子平衡机制提供新视角。
在微生物的奇妙世界里，极端环境生存者总能展现出独特的生存智慧。Haloquadratum walsbyi 作为一种能在 2M MgCl?高镁环境中 thrive 的古菌，其体内蕴含的奥秘吸引着科学家的目光。微生物视紫红质（microbial rhodopsin, mRho）作为一类重要的光响应蛋白，在质子泵、光趋化等过程中扮演关键角色，但 H. walsbyi 中发现的中间视紫红质（Middle rhodopsin, HwMR）却一直功能成谜。它虽与质子泵细菌视紫红质（bacteriorhodopsin, BR）和光趋化相关的感官视紫红质 II（sensory rhodopsin II, SRII）共享保守功能残基，却未展现出两者的功能，且高镁环境对多数微生物有害，HwMR 如何与镁离子（Mg2?）相互作用并帮助古菌适应极端环境成为亟待解答的科学问题。
为揭开 HwMR 的神秘面纱，来自台湾大学（National Taiwan University）生命科学学院生物化学科技学系的研究团队开展了深入研究。他们通过一系列实验，首次证实 HwMR 是一种光驱动的内向镁离子转运蛋白，其功能机制的解析为理解古菌在高镁极端环境中的生存策略打开了新窗口。该研究成果发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过 X 射线晶体学（分辨率达 2.5? 和 2.9?）解析野生型 HwMR 及 D84N 突变体的原子结构；利用紫外 - 可见光谱（UV–Vis spectrophotometry）检测不同 Mg2?浓度下最大吸收波长（Abs-max）的变化；借助光循环动力学（photocycle kinetics）分析揭示光激发下的构象变化；通过 Mg2?滴定实验（Mg2? titration assay）测定结合亲和力；运用基于细胞的光驱动电导率测定（light-driven conductivity assay）验证离子转运方向及功能。
研究结果
1. HwMR 与 Mg2?关联的发现
通过对 HwMR 关键残基（D84、D95、T216）的单点突变研究发现，D84N 突变导致 Abs-max 显著蓝移（约 15 nm），且完全破坏了 Mg2?依赖的光循环动力学，光循环速度较野生型提升 10 倍并跳过 M 态。T216A 突变引起 Abs-max 轻微蓝移，同时干扰 Mg2?依赖的动力学变化。而 D95N 突变对 Abs-max 无显著影响，但光循环动力学仍呈现 Mg2?浓度依赖性变化。Mg2?滴定实验显示，野生型 HwMR 的解离常数（Kd）为 0.2044 M，D84N 突变体因结合曲线变为线性而无法计算 Kd，T216A 突变体虽保留双相曲线但 Kd 升高至 0.3987 M，表明 D84 是主要结合位点，T216 参与稳定 Mg2?结合。
2. HwMR 的晶体结构与 Mg2?结合位点解析
野生型 HwMR 的 X 射线晶体结构显示，在 D84 与 D213 之间、T216 与 Y185 之间存在明显的 Mg2?电子密度 omit 图，原子距离表明 D84 与 Mg2?直接配位（2.70–2.88?），T216 通过羟基与 Mg2?形成离子键（1.55–2.06?）。而 D84N 突变体结构中，这两个位点均无 Mg2?电子密度，印证了 D84 在 Mg2?结合中的核心作用。结构分析还发现，D95 周围无 Mg2?结合迹象，与功能实验结果一致。
3. Mg2?转运方向与机制验证
通过光驱动全细胞电导率测定发现，野生型 HwMR 表达细胞在光照下表现出细胞外电导率下降，提示 Mg2?内流；而 D84N 突变体则导致电导率上升，表明转运功能丧失或方向改变。结合结构与功能数据，研究人员提出 HwMR 的 Mg2?转运模型：在光激发下，Mg2?首先结合胞外侧的 D84 位点，随后通过 T216 稳定，经跨膜螺旋构象变化介导内向转运至细胞质。高浓度 Mg2?环境下，HwMR 光循环动力学变慢，可能是对细胞内 Mg2?水平的动态调控机制。
研究结论与讨论
本研究首次揭示 HwMR 是一种新型的光驱动 Mg2?转运蛋白，其功能依赖于 D84 作为主要结合位点、T216 作为转运稳定位点的协同作用。这一发现拓展了微生物视紫红质的功能多样性，为理解古菌在极端高镁环境中的离子稳态调控机制提供了关键证据。相较于已知的 CorA 家族 Mg2?转运蛋白，HwMR 通过光响应实现主动转运的机制独树一帜，为开发新型光控离子工具提供了潜在靶点。此外，HwMR 兼具 BR 和 SRII 保守残基却行使独特功能的特性，为研究 mRho 的功能进化提供了新范例。未来研究可进一步探索 HwMR 在不同离子环境中的调控细节及其在生物技术领域的应用潜力，如光控细胞内 Mg2?信号调控等。该研究不仅深化了对极端微生物适应性的认知，也为跨学科领域的离子转运机制研究和生物工具开发奠定了重要基础。
