Mécanisme moléculaire d’une pompe à sodium controlée par la lumière

La pompe ionique photosensible KR2 est une rhodopsine microbienne découverte dans des bactéries marines en 2013. Sa capacité unique à transporter activement le sodium (Na+) sous l’effet de la lumière, mais pas le potassium (K+), le calcium (Ca2+) et l’hydrogène (H+), fait de cette protéine un outil potentiel pour l’optogénétique - une méthode biotechnologique de contrôle optique précis et peu invasif de la matière vivante. Le mécanisme moléculaire du pompage du Na+ par la lumière n’était pas encore connu, car seule la structure tridimensionnelle de la pompe KR2 à l’état basal inactif a été résolue jusqu’à présent.
Des chercheurs du groupe Transporteurs membranaires de l’IBS, en collaboration avec l’ESRF, l’EMBL, le Centre de recherche de Juelich, l’Institut de physique et de technologie de Moscou et le synchrotron ALBA, ont résolu la structure cristalline de la pompe KR2 pentamérique dans son état intermédiaire actif de pompage du Na+. La structure a révélé un site de liaison transitoire du Na+ à l’intérieur de la rhodopsine. Des simulations de dynamique moléculaire ont permis de prédire le cheminement du Na+ à travers la protéine, ce qui a été validé par mutagenèse. Ces résultats ont permis aux chercheurs de montrer que le transport actif du Na+ par la lumière se fait par une combinaison de mécanismes de relais et de diffusion passive des ions à travers les cavités polarisées à l’intérieur de KR2.
Ils démontrent ainsi que le mécanisme de transport des cations autres que les protons est différent du mécanisme de Grotthuss de transport des protons dans les transporteurs de protons telle la bactériorhodopsine classique. La description du site de liaison du Na+ et du cheminement des ions dans la protéine va faciliter l’ingénierie rationnelle d’outils optogénétiques basés sur une protéine KR2 améliorée.

Molecular mechanism of light-driven sodium pumping. Kovalev K, Astashkin R, Gushchin I, Orekhov P, Volkov D, Zinovev E, Marin E, Rulev M, Alekseev A, Royant A, Carpentier P, Vaganova S, Zabelskii D, Baeken C, Sergeev I, Balandin T, Bourenkov G, Carpena X, Boer R, Maliar N, Borshchevskiy V, Büldt G, Bamberg E, Gordeliy V. Nature Communications 2020, 11:2137

Contact : Valentin Gordeliy, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Tansporteurs Membranaires)