聞得到香味，看得見彩色的古生菌：死海嗜鹽角菌 Haloarcula marismortui
編輯：韓喬融、范浚維
演講者 楊啟伸 教授 國立臺灣大學生化科技系
主持人 楊恩誠 教授 國立臺灣大學昆蟲學系
演講日期 (Date)：2021/1/4 (二) 11:20~12:20
課程之內容與新知
在鹽度極高、pH值極低的死海中，幾乎無生物能生存，死海嗜鹽角菌 (Haloarcula marismortui) 是少數的倖存者，並有著獨特的光感受體，能將陽光轉換為ATP作為能量來源、調節滲透壓，亦能感受光刺激，產生移動反應。死海嗜鹽角菌具有6個視紫紅質 (Rhodopsin)，彷彿眼睛一般，對光產生反應。其中的質子視紫紅質 (Bacteriorhodopsin, BR)是由光驅動的離子泵，如同一把內部配有三個子彈的手槍，當接收光刺激，就能在帶負電的D85協助下，持續地輸出質子，並配合單向閥結構，即使在高酸性環境也能防止膜外的質子進入。特別的是，此菌具有兩個質子視紫紅質:HmBRI與HmBRII，它們吸收的光波長雖然相仿，在不同pH值下的活性卻不同，故能在較廣的酸鹼範圍下作用，藉由互補達到最佳化，在惡劣的環境下更具生存優勢。死海嗜鹽角菌具有3個調控光趨性的感受視紫紅質 (Sensory Rhodopsin, SR)，能感受不同波長的光而選擇待在原處或迴避，並經實驗證實為第一個可同時感受三原色的單細胞生物。SR與觸發器蛋白質 (Transducer, Htr) 協力產生作用，之間具有專一性。SRI-HtrI (感受藍光)、SRII-HtrII (感受紅光) 分別對光產生正趨性與負趨性，SRM-HtrM (感受綠光) 則為弱化兩者反應，恰好神似現代汽車的檔位系統。進一步研究更發現此菌亦會感受氣味，HtrI外圍構造如同搜尋食物的鼻子，可感受絲胺酸並趨向前。死海嗜鹽角菌藉由多功能的光感受器，得以適應其他嗜鹽古生菌無法生存的死海，完成了不可能的任務。
Q&A
Q 1: 在外界環境為高酸性的環境之下，質子視紫紅質的離子泵是否需耗能?
A 1: 不需耗能，僅需仰賴光照，即可進行isomerization與conformational change而完成質子的釋出與遞補。
Q 2: 光照下會造成pH值降低，是否和環境中細菌密度相關? 實驗用的溶液密度是否和死海相同
A 2: pH值降低的程度和細菌密度非常有關，在實驗室中將細菌養至OD值1.5~2，離心沉積後，再移至OD值固定為1.0的溶液中，因此細菌密度固定，和死海並不同。
Q 3: Microbial Rhodopsin在微生物中是否常見?
A 3: 不常見，多數在嗜鹽古生菌中。但在其他的物種，包括藻類及真菌都有發現。
Q 4: 受到強光刺激時的移動是否具有方向性?
A 4: 細菌受強光刺激會反折，但移動方向為機率性結果，即使沒有光照，細菌也會以較低的速率持續移動。
Q 5: 當表現一細菌的視紫紅質在另一細菌的膜上時，要如何確認其真的在膜上?
A 5: 使用大腸桿菌over-express目標基因，並加入EDTA和其他方法先將細菌的細胞壁和溶菌酶去除，讓細菌只剩下雙層膜，再用這個狀態下的細菌進行鏡檢，即使顯微鏡可能會看不出來，但是當我們再去確認細菌的photoreceptor時，是看得到螢光訊號的，因為目標基因已經事先嵌入綠螢光蛋白，甚至在將這個目標蛋白再植入到其它質體中表現後一樣會看到綠螢光蛋白確實就在膜上。
花絮照片 (other photos) 3 ~ 5張
