290: 奈米線（Nanowires）

Author: David S. Goodsell Translator: 于 健（PDBj）

HDCR（依賴氫的二氧化碳還原酶）纖維，其中的兩種酵素亞基、HydA2（藍色）和FdhF（綠色）由奈米線亞基（紅色和藍紫色）連接。右圖顯示了在蛋白質之間攜帶電子的鐵硫輔助因子，顯示在纖維內部形成了一個連續的奈米線。
HDCR（依賴氫的二氧化碳還原酶）纖維，其中的兩種酵素亞基、HydA2（藍色）和FdhF（綠色）由奈米線亞基（紅色和藍紫色）連接。右圖顯示了在蛋白質之間攜帶電子的鐵硫輔助因子，顯示在纖維內部形成了一個連續的奈米線。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

細胞是將電子逐一傳送到所需位置的專家。這種精確的電子裝置是透過使用專門的電子傳遞器來實現的。這些轉運體是NAD或FAD等小分子，它們在一個位置拾取電子並將其轉運到另一個位置。 細胞色素c（ cytochrome c）和鐵氧還蛋白（ferredoxin）等小蛋白質也是如此，它們利用 血紅素輔助因子（heme cofactor）和鐵硫簇（iron-sulfur cluster）來運輸電子。細胞還可以透過將多個電子傳遞載體排列成一排來建構更複雜的電路。這些載體通常含有金屬離子，如血紅素輔因子和鐵硫簇。這些載體在蛋白質中排列成一排，電子從一個載體傳遞到下一個載體。例如，構成呼吸电子传递链（respiratory electron transport chain）的三個大型蛋白質複合體就包含這些小導線。

細菌電子設備

一些細菌利用一種名為HDCR（依賴氫的二氧化碳還原酶，此處顯示的是PDB 條目7qv7的結構）的蛋白質組合，它利用氫作為能量來源。此元件包含四個不同的亞基。其中之一（HydA2）是一種專門從氫氣中提取電子的酵素。另一個亞基（FdhF）是一種酶，它將這種電子加到二氧化碳中生成甲酸。剩下的兩個亞基（HycB3 和HycB4）組成奈米線，它連接兩個酵素並在它們之間傳遞電子。奈米線由內襯鐵硫簇組成。

纖維的形成

在這些細菌細胞中，HDCR 形成長螺旋狀纖維（絲狀纖維），並可進一步組裝成具有數千個鐵硫簇的大束或大環。這樣做有幾個好處，有助於將小型奈米線亞基結構穩定為大型穩定結構。纖維還能創造一個由許多拷貝的酵素組成的大型互連網絡，這樣，內部連續的奈米線不僅能在相鄰的亞基之間發送電子，還能向纖維的所有部分發送電子，必要時甚至還能儲存電子。

地桿菌的奈米線

從地桿菌中獲得的三種細胞色素奈米線。攜帶電子的血紅素顯示為粉紅色。
從地桿菌中獲得的三種細胞色素奈米線。攜帶電子的血紅素顯示為粉紅色。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

值得注意的是，地桿菌（Geobacter）可以利用礦物質（包括金屬）作為其能量工具箱的一部分。這種細菌製造出長的奈米線結構，將電子傳遞到這些礦物上。圖中所示的三種結構（PDB 條目6nef、 7tfs和8d9m）由長長的細胞色素蛋白串組成，每種蛋白都有自己的一套電子攜帶血紅素輔助因子。這種細菌也會從表面伸出長長的絲毛，稱為電子纖毛。這些絲狀物參與電子傳遞。 PDB條目6vk9的結構就是一個例子（此處未顯示）。

探索結構

人工設計的銀DNA 奈米線

顯示方式: 静止图像

若要切換到有互動控制的頁面，請點擊圖表下方的按鈕。如果載入沒有開始，請嘗試點擊圖表。

奈米技術研究人員受到生物學的啟發，設計出了自己的奈米線。其中一種方法是利用DNA 作為支架，在其上放置攜帶電子的輔助因子。這裡展示的結構（PDB條目7xkm）是DNA的一個短片段，其序列設計用於在雙螺旋中心捕獲銀離子（灰色球體）。我們的目標是將奈米線嵌入到更大的DNA 奈米結構中。點擊圖下按鈕，切換到互動式可操作圖像，更詳細地了解這種結構。

進一步的討論議題

  1. 在這個過程中，電子從輔因子移動到另一個輔因子使用Mol* 可以測量輔因子之間的距離。
  2. 生物能和電子傳遞在RCSB PDB 的PDB-101 中的《 Exploring the Structural Biology of Bioenergy 》（英文，探索生物能的結構生物學）中有詳細解釋。

參考文獻

  1. 7xkm Atsugi, T., Ono, A., Tasaka, M., Eguchi, N., Fujiwara, S., Kondo, J. 2022 A novel Ag(I)-DNA rod comprising a one-dimensional array of 11 silver ions within a double helical structure. Angew Chem Int Ed Engl 61 e202204798-e202204798
  2. 7qv7 Dietrich, H.M., Righetto, R.D., Kumar, A., Wietrzynski, W., Trischler, R., Schuller, S.K., Wagner, J., Schwarz, F.M., Engel, B.D., Muller, V., Schuller, J.M. 2022 Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation. Nature 607 823-830
  3. 8d9m Wang, F., Chan, C.H., Suciu, V., Mustafa, K., Ammend, M., Si, D., Hochbaum, A.I., Egelman, E.H., Bond, D.R. 2022 Structure of Geobacter OmcZ filaments suggests extracellular cytochrome polymers evolved independently multiple times. Elife 11
  4. 7tfs Wang, F., Mustafa, K., Chan, C.H., Joshi, K., Hochbaum, A.I., Bond, D.R., Egelman, E.H. 2022 Cryo-EM of the OmcE nanowires from Geobacter sulfurreducen. Nat Microbiol 7 1291-1300
  5. 6vk9 Gu, Y., Srikanth, V., Salazar-Morales, A.I., Jain, R., O'Brien, P., Yi, S.M., Soni, R.K., Samatey, F.A., Yalcin, S.E., Malvankar, N.S. 2021 Structure of Geobacter pili reveals secretory rather than nanowire behaviour. Nature 597 430-434
  6. 6nef Filman, D.J., Marino, S.F., Ward, J.E., Yang, L., Mester, Z., Bullitt, E., Lovley, D.R., Strauss, M. 2019 Cryo-EM reveals the structural basis of long-range electron transport in a cytochrome-based bacterial nanowire. Commun Biol 2 219-219
  7. Wang, F., Gu, Y., O'Brien, J.P., Yi, S.M., Yalcin, S.E., Srikanth, V., Shen, C., Vu, D., Ing, N.L., Hochbaum, A.I., Egelman, E.H., Malvankar, N.S. 2019 Structure of microbial nanowires reveals stacked hemes that transport electrons over micrometers. Cell 177 361-369.e10

本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《當月的分子》2024年2月的文章的中文翻譯。請參考我們的條款和條件頁面。

	{
    "header": {
        "minimamHeightScale": 1.0,
        "scalingAnimSec": 0.3
    },
    "src": {
        "spacer": "/share/im/ui_spacer.png",
        "dummy": "/share/im/ui_dummy.png"
    },
    "spacer": "/share/im/ui_spacer.png"
}