生物纳米机器的特写研究人员深入研究过氧化物酶体过程

每个系统都有其废物处理系统。被称为“过氧化物酶体”的细胞器可以处理人体内的有毒物质和脂肪等，从而预防严重疾病。“Pex”蛋白质组(过氧化物酶体生物发生因子)使这些“排毒单位”正常运作。

由ChristosGatsogiannis教授领导的明斯特大学研究小组使用该大学的新型高科技显微镜，首次在原子水平上展示了这些高度复杂的过程是如何进行的。该研究已发表在《自然通讯》杂志上。

“我们可以将过氧化物酶体想象成专门从事不同任务的微型工厂，”Gatsogiannis解释道。“首先，它们以对细胞‘解毒’而闻名。它们充当我们细胞中的细胞废物处理单元。”例如，这种废物可能是过量的脂肪酸，也可能是环境中的有毒物质：尺寸仅为0.5微米的细胞器至少负责50种不同的此类过程。

对于该系统特别重要的是过氧化物酶体在脂肪代谢中发挥的作用。这是因为它们不仅分解脂肪，还将其转化为可用能量，这本身对于体内的各种过程是不可或缺的。如果没有过氧化物酶体，某些脂肪就会积聚到危险数量，从而引起严重的健康问题。这就是为什么与年龄相关的疾病通常与过氧化物酶体功能障碍有关，例如听力或视力丧失、阿尔茨海默病、糖尿病或癌症。

每个过程都需要一系列特定的酶。然而，过氧化物酶体被生物膜包围，蛋白质无法轻易渗透，这意味着它们必须进口。这种输入机制需要能量和另一组蛋白质——Pex组。

“就像卡车将产品从一个地方运输到另一个地方一样，酶的运输需要运输蛋白质、能源和深思熟虑的物流才能有效地工作，”博士进行了比较。学生马克西米利安·鲁特曼(MaximilianRüttermann)，该团队的成员之一。“而且，就像卡车一样，蛋白质会被再次使用或回收，直到最终分解或分解。”

这种回收机制是整个进口过程中唯一的能源密集型步骤。主要作用由过氧化物酶体AAA-ATP酶复合物Pex1/Pex6发挥。这种“生物纳米机器”可以解开并展开用过的蛋白质，以便它们可以被回收或处置。AAA-ATP酶基本上是一种细胞清洁人员，可保持细胞内部环境清洁、功能正常并为生命的需求做好准备。

因此，不足为奇的是，过氧化物酶体生物合成中的大多数故障与Pex1或Pex6的突变有关，所有病例中高达60%可归因于一种罕见的遗传性疾病，在这种疾病中，患者的细胞无法形成过氧化物酶体。这是公众不知道的事情，因为受影响的患者通常在出生后几天或几周内就会死亡，而且目前还没有已知的治疗方法。

由Gatsogiannis领导的研究小组现在首次以原子细节展示了过氧化物酶体AAA-ATP酶如何处理其他酶以保持排毒单位正常运作。为此，研究人员使用了低温电子显微镜方法。

“研究AAA-ATPasePex1Pex6等高度动态的复合体就像观察汽车发动机的运转一样，”Rüttermann说。“当它运行时，你会从各个角度生成数百万张图像，然后在此基础上生成所有不同状态的三维模型。”

今年春天，该团队投入了最先进的低温电子显微镜。这项耗资750万欧元的新收购使得在原子水平上研究蛋白质和生物纳米机器成为可能，从而解密细胞如何运作的秘密。

高分辨率结构显示了Pex1和Pex6蛋白如何同步协同工作。它们从膜中拉出类似于输入受体的基质，以便使它们能够被回收——这是一种独特的机制，类似于一排手臂，一步一步地成对拉动一根粗绳子，并在此过程中，解开它的结。

Gatsogiannis说：“原子结构和对这种复杂纳米机器机制的理解现在使我们能够了解健康和疾病中过氧化物酶体生理学的重要步骤。”“现在可以将所有已知的突变与其功能联系起来，以便了解它们的化学后果，从而了解代谢紊乱的原因。”