光控细菌发育的分子开关：利用飞秒晶体学解析粘细菌光敏色素早期光激活事件

研究人员通过时间分辨串行飞秒晶体学(TR-SFX)技术，揭示了粘细菌光敏色素SaBphP2在皮秒级时间尺度下的光激活机制，发现其开链四吡咯发色团(BV)的Z→E异构化早期构象变化，为理解细菌光形态建成及双组分信号传导系统提供了原子级证据。

　　

在土壤中栖息的粘细菌具有独特的多细胞发育阶段——当营养匮乏时，它们会形成被称为"子实体"的复杂结构，而这一过程受到红光的调控。然而，光信号如何被感知并转化为生理响应的分子机制长期未知。Stigmatella aurantiaca细菌中的光敏色素SaBphP2被认为是红光感知的关键受体，但其光激活的初始事件仍笼罩在迷雾中。

由美国威斯康星大学密尔沃基分校Marius Schmidt团队领衔的国际合作研究，通过时间分辨串行飞秒晶体学(TR-SFX)技术，捕捉到SaBphP2光敏核心模块(PCM)在3皮秒和100皮秒时的结构变化。研究发现，光照后3皮秒时，发色团biliverdin(BV)的D环即发生构象变化准备异构化；到100皮秒时，二聚体中一个亚基的BV已出现Z/E构象混合态，而另一个亚基仍保持原始构型。这些发现揭示了细菌光敏色素激活的分子机制，相关成果发表于《Communications Chemistry》。

研究采用三大关键技术：1) 将SaBphP2微晶嵌入核级润滑脂中，通过黏性喷射系统在LCLS的MFX和CXI线站进行TR-SFX数据采集；2) 使用709 nm/640 nm飞秒激光(140 fs)触发光反应，分别在3 ps和100 ps延迟时间收集衍射数据；3) 采用外推电子密度图方法解析中间态结构，并通过Pearson相关系数验证模型准确性。

早期构象变化揭示异构化路径
在3 ps时间点，BV的D环通过C14-C15键(φ_T
(14,15))旋转脱离发色团平面，使D环氮原子能够避开C环甲基的空间位阻，实现顺时针旋转。这一发现否定了此前计算预测的逆时针"扭臀机制"(hula-twist)，为理解异构化立体化学提供了直接证据。

不对称光激活的生理意义
100 ps时的结构显示，二聚体中仅一个亚基(A亚基)的BV发生部分异构化，而B亚基仍保持原始构象。这种不对称性与近期冷冻电镜观察到的Pr/Pfr异源二聚体现象吻合，说明光信号转导可能通过亚基间的协同作用实现。

吡咯水动态参与信号传递
与缺失PHY结构域的截短蛋白不同，完整PCM中的吡咯水(PW)在早期时间点仍保持结合状态，直到100 ps才开始解离。这表明PHY结构域的"感觉舌"(sensory tongue)通过屏蔽溶剂暴露来调控PW动态，其延迟释放可能为后续大规模构象重排创造条件。

激光-样品相互作用的重新评估
实验发现黏性介质会反射大部分激光能量(仅23 μJ穿透)，这一现象解释了为何高激光通量(10 mJ/mm²
)仍仅能实现约10%的种群转移。该发现为未来TR-SFX实验的激光参数设置提供了重要参考。

这项研究首次在原子尺度描绘了细菌光敏色素从飞秒到皮秒级的光激活轨迹，揭示了Z/E异构化的立体化学路径和亚基协同机制。特别值得注意的是，二聚体的不对称响应可能代表了一种进化上保守的信号放大策略——通过单个发色团异构化即可引发组氨酸激酶(HK)结构域的大规模重排，进而调控下游反应调节蛋白(RR)的磷酸化。这些发现不仅阐明了粘细菌光控发育的分子基础，也为设计新型光遗传学工具提供了结构蓝图。

T

T
(4,5)和φ_T
(14,15)扭转角接近0°为顺式(syn)，±180°为反式(anti)；φ_T
(15,16)接近0°为Z构型，±180°为E构型。红色标记显示D环显著偏离反式构型，蓝色标记指示E构型。'>

研究还发现，虽然高激光通量可能引起多光子吸收，但在3 ps时间点时这些高激发态已衰减(τ≈300 fs)，确保观察到的结构变化反映真实的生物物理过程。这种严格的时间控制，结合微晶在黏性基质中的稳定输送，使研究者能够捕捉到传统方法难以企及的超快生物分子电影帧。