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Na⁺/H⁺反轉運體作為細胞中次級運輸的主要承擔者，對離子的跨膜輸運發揮著重要作用。通過對鈉離子和氫離子的反向運輸，起到維持胞內pH穩態和細胞體積的作用。盡管離子通道間歇性門控的工作機制早已被人們發現，但是次級轉運體的動力學過程還尚未搞清楚，亟需構建一種能夠連續監測細胞內次級轉運體活性的方法。發光細菌是一種能夠自發光的生物體，發光機理為熒光素在熒光素酶的催化下被氧氣氧化，釋放出光子的過程。其發光強度反映了細胞新陳代謝活性，被廣泛應用于環境應急監測和生物成像中。

近日，南京大學王偉教授課題組以野生型發光細菌P. phosphoreum為研究模型，發現了堿性溶液中生物發光的閃爍現象，實驗證明這與細胞內Na⁺/H⁺反轉運體——NhaA的活性有關，并且該過程中也伴隨著膜電位的同步變化。

圖1. 細菌生物發光閃爍特點的基本描述

作者利用單細胞生物發光成像技術，首次發現野生型的單個發光細菌P.phosphoreum在堿性溶液中存在自發和隨機的生物發光閃爍現象。研究發現這種現象是由帶電的NhaA在活性和非活性兩種構象之間隨機轉化引起的，在這過程中細胞膜內快速去極化，暫時抑制呼吸鏈的活性，導致生物發光下降，然后在H⁺-ATPase以及鈉的同向轉運體的作用下，使得細胞膜電勢和生物發光恢復。從構象的角度而言，NhaA通過控制某些殘基的去質子化，誘導構象發生轉變，激活轉運體的活性，我們計算了這一過程的活化能大約是20.3 kJ/mol。并且通過膜電位的熒光探針TMRM與生物發光同步記錄，發現細菌生物發光閃爍的同時，膜電位也發生相應的變化。