Bacterial mechanosensitive channels : what we can learn from a simple model system, when we design it to be more complicated

Abstract

In sommige kanaaleiwitten van de celmembraan is het oppervlak van de porie waterafstotend. Daardoor kan de porie, hoewel fysiek openstaand, toch ontoegankelijk zijn. Jan Peter Birkner deed onderzoek naar deze zogenaamde hydrophobic gating eigenschap bij het kanaaleiwit MscL uit de bacterie Escherichia coli. In alle vormen van het leven zijn vloeistofstromen van groot belang; macroscopische stromen, zoals bijvoorbeeld het bloed in onze aderen of water in planten, maar ook microscopische stromen, zoals langs het grensvlak van een enkele cel of door kanaaleiwitten in de celmembraan. Als we inzoomen op deze kanaaleiwitten, zien we dat er op nanometerschaal andere fysische beperkingen zijn voor vloeistofstromen dan de beperkingen op macroscopisch niveau. In diverse kanaaleiwitten (KcsA, nAChR, MscL) is het oppervlak van de nauwe porie sterk waterafstotend. Hoewel moleculen er theoretisch qua grootte wel doorheen moeten kunnen, worden ze door het waterafstotende karakter van de porie toch geblokkeerd. Deze fysiek open, maar biologisch gesloten waterafstotende regio regelt de inkomende en uitgaande stofstroom door middel van een mechanisme dat men “hydrophobic gating” noemt. Het proefschrift van Birkner gaat voornamelijk over een door hem ontwikkelde nieuwe methode waarmee het mogelijk is individuele sub-eenheden van het kanaaleiwit MscL uit de bacterie E. coli te onderzoeken en te manipuleren. Hoewel het kanaaleiwit eigenlijk is opgebouwd uit vijf identieke sub-eenheden, was Birkner met behulp van deze techniek in staat om geleidelijk het waterafstotende karakter van de porie te veranderen door één voor één de sub-eenheden aan te passen en zo het proces van hydrophobic gating heel nauwkeurig bestuderen. Birkner slaagder erin experimenteel aan te tonen dat zowel het openen en sluiten van het kanaal volledig gemoduleerd wordt door slechts een deel van een enkele sub-eenheid en dat een minimale verandering in het waterafstotende karakter van de porie al voldoende is om het kanaaleiwit te openen. Daarom lijkt dit mechanisme ideaal voor een snelle reactie op veranderende omstandigheden. Bovendien bleek dat de vijf identieke sub-eenheden tijdens de overgang van een gesloten naar een geopend kanaaleiwit asymmetrisch bewegen. In all kingdoms of life there are substances flowing: macroscopic streams, like blood in our arteries and veins, or water in plants, but also microscopic ones, like occurring at the interface of a single cell or within membrane channels. When we zoom-in to the latter, to the nanometer scaled ion channels and solute pores of biological membranes, we face barriers for the flow beyond obvious physical restrictions. In the narrow confinements as found in various ion channels (KcsA, nAChR, MscL), hydrophobic entities provide a strong barrier to the flow of water and ions across cellular membranes even though their geometry would theoretically not block it. These physically open, but biologically closed hydrophobic motifs are thought to maintain the inward and outward traffic through ion channels by a mechanism designated hydrophobic gating. In my thesis, we report on our new method that allows single-subunit resolution for manipulating and monitoring of the mechanosensitive channel of large conductance from Escherichia coli. We gradually changed the hydrophobicity of the pore constriction in this homopentameric protein by modifying a critical pore residue one subunit at a time. Our experimental results suggest that both the channel opening and closing are initiated by one helix of a single subunit and that the participation of each of the five identical subunits to the structural transitions between the closed and open states is asymmetrical. The minimal change in pore hydrophobicity required for gating seems ideal for a fast and energy-efficient response to the changes in the membrane tension.