盡管幾乎到處（食物、土壤、牙膏、尤其是自來水中）都存在有氟離子，其對于微生物和細(xì)胞具有很強(qiáng)的毒性作用。為了避免死亡，細(xì)胞必須清除掉在它們內(nèi)部累積的氟離子，這一過程是通過離子通道來實(shí)現(xiàn)。離子通道指的是穿過細(xì)胞膜的一種蛋白質(zhì)通道，其只允許特異的物質(zhì)通過。

氟離子通道直到最近才被人發(fā)現(xiàn)，一些研究暗示其具有不同尋常的結(jié)構(gòu)，這或許可以解釋它們對于氟離子的顯著選擇性。然而，由于這些離子通道非常小，因此結(jié)晶它們極具挑戰(zhàn)，阻礙了研究人員調(diào)查它們的原子結(jié)構(gòu)。

在發(fā)表于9月7日《自然》（Nature）雜志上的一項(xiàng)研究中，一個(gè)國際科學(xué)家小組克服了這些限制，第一次解析了一種氟離子通道的原子結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的“雙管”（ double-barreled）結(jié)構(gòu)，其包含了兩個(gè)氟離子流過孔道，這代表了離子運(yùn)輸?shù)囊环N新機(jī)制。研究結(jié)果闡明了這些通道的進(jìn)化，提供了一些新方法來改變它們的功能，指出了一些潛在的應(yīng)用如開發(fā)出新型抗生素等。

研究人員是通過重要的技術(shù)創(chuàng)新利用單體（monobodies）——可自定義設(shè)計(jì)結(jié)合靶蛋白上高度特異位點(diǎn)的小合成蛋白來獲得這一成果的。他們設(shè)計(jì)出這些單體來充當(dāng)“結(jié)晶伴侶”，穩(wěn)定和調(diào)整了氟離子通道因此能夠確定它們的結(jié)構(gòu)。

世界單體研究和設(shè)計(jì)先鋒、芝加哥大學(xué)生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)教授、論文的共同作者Shohei Koide博士說：“很顯然，合成結(jié)合技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟。單體已經(jīng)優(yōu)化、強(qiáng)大至可以用來攻克一些重要的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)問題，例如氟離子通道的結(jié)構(gòu)。此外，還可以利用它們來生成幾乎可立即用于工業(yè)中的一些分子。這令我們感到興奮，我們將繼續(xù)揭示這一強(qiáng)大技術(shù)的許多可能性。”

布蘭迪斯大學(xué)生物化學(xué)教授、HHMI研究員Christopher Miller博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近才發(fā)現(xiàn)及研究Fluc氟離子通道家族，研究人員發(fā)現(xiàn)它們是鑒別出的最具選擇性的通道。其對氟離子具有顯著的特異性，可以將它與密切相關(guān)的氯離子區(qū)分開來。

要確定這些離子通道的原子結(jié)構(gòu)，必須采用X-射線晶體技術(shù)。這就要求必須純化及以一種高度有序、可復(fù)現(xiàn)的方式結(jié)晶通道蛋白。然而，當(dāng)脫離它們的自然環(huán)境時(shí)膜蛋白會失穩(wěn)定。為了避免這一問題，傳統(tǒng)的生化技術(shù)是利用洗滌劑化合物來遮蓋及穩(wěn)定定位在細(xì)胞膜中的表面區(qū)域，使得能夠進(jìn)行結(jié)晶。

對于氟離子通道而言，由于通道很小且?guī)缀跬耆度朐谀?nèi)，用洗滌劑化合物遮蓋的表面區(qū)域很難形成結(jié)晶。為了解決這一挑戰(zhàn)，Koide、Miller和他們的研究小組設(shè)計(jì)出了與氟離子通道上靶位點(diǎn)——尤其是，兩個(gè)沒有嵌入到細(xì)胞膜內(nèi)的微小表面結(jié)合的單體。這顯著擴(kuò)大了可利用來結(jié)晶這一通道的表面區(qū)域。此外，單體具有的某些特性，使得它們能夠彼此以一種高度可重現(xiàn)的方式排列，進(jìn)一步促成了構(gòu)建出穩(wěn)定的晶格。這兩個(gè)研究小組進(jìn)一步與來自牛津大學(xué)的Simon Newstead研究小組合作，利用了新的膜蛋白結(jié)晶技術(shù)。三方合作生成了這一離子通道的原子結(jié)構(gòu)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，氟離子通道包含兩個(gè)主要的構(gòu)件，它們以一種反向平行的方式組裝在一起。大多數(shù)離子通道都只有一個(gè)離子通過孔。而Fluc有兩個(gè)。這一結(jié)構(gòu)與另一類的膜蛋白：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（transporters）相似。但轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用了能量主動將離子泵過細(xì)胞膜，而Fluc離子通道則不需要能量。這種相似性和差異促使研究人員提出將這些離子通道命名為“通道運(yùn)輸?shù)鞍?rdquo;（ channsporter）。

Koide 說：“這一分子的功能是一個(gè)離子通道，但結(jié)構(gòu)更像是一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。從進(jìn)化上說，它非常的有趣。盡管還需要進(jìn)一步的研究，這一蛋白似乎是從可能具有反向平行幾何結(jié)構(gòu)的東西進(jìn)化而來，這種反向平行幾何結(jié)構(gòu)對于完整性極為重要，但未必對于功能很重要。”