2012年3月11日，清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授研究組在《自然》（Nature）在線發(fā)表了名為“Structure and mechanism of a glutamate-GABA antiporter”的科研論文，報(bào)道了大腸桿菌谷氨酸：γ-氨基丁酸（GABA）反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 （GadC） 的晶體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合生化實(shí)驗(yàn)提出了GadC轉(zhuǎn)運(yùn)底物的可能機(jī)制。

2011年在歐洲爆發(fā)的腸溶血性大腸桿菌疫情導(dǎo)致數(shù)千人感染，多人死亡，并引起了極大的社會(huì)恐慌。大腸桿菌O104:H4菌株是這一疫情的罪魁禍?zhǔn)?。食物?lái)源的大腸桿菌必須通過(guò)極酸的胃環(huán)境 （pH~2） 才能到達(dá)腸道，為了保證在如此低的pH下仍然能夠存活，大腸桿菌進(jìn)化出了多個(gè)抗酸系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗極酸環(huán)境。因此研究大腸桿菌抗酸機(jī)制對(duì)人類健康有直接的重要意義。

大腸桿菌抗酸系統(tǒng)II （Acid Resistance system 2）通過(guò)谷氨酸:γ-氨基丁酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 （GadC） 將細(xì)胞外的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，在胞漿內(nèi)谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)，消耗一個(gè)質(zhì)子生成γ-氨基丁酸，而產(chǎn)物γ-氨基丁酸再被GadC轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于向細(xì)胞外排出一個(gè)質(zhì)子，降低了細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子濃度，從而起到了抗酸的作用。理解GadC的工作機(jī)理對(duì)于研究腸道致病菌抗酸系統(tǒng)十分關(guān)鍵。從GadC的三維空間結(jié)構(gòu)信息入手，施一公教授研究組解析了大腸桿菌GadC高分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，含有12個(gè)跨膜螺旋的GadC在pH堿性條件下呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)運(yùn)通道開口朝向胞內(nèi)的構(gòu)象，令人驚奇的是，GadC羧基端結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞內(nèi)一側(cè)像塞子一樣將轉(zhuǎn)運(yùn)通道封閉住。同時(shí)進(jìn)一步的生化實(shí)驗(yàn)表明，GadC對(duì)底物的轉(zhuǎn)運(yùn)嚴(yán)格依賴于環(huán)境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的環(huán)境下才具有轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而在pH大于6.5的環(huán)境中*沒有活性。羧基端“塞子”結(jié)構(gòu)域在GadC感受pH的過(guò)程中起到了重要的調(diào)節(jié)作用。這樣一種機(jī)制既保證了抗酸系統(tǒng)在極酸環(huán)境中能夠啟動(dòng)并轉(zhuǎn)運(yùn)底物，又防止其在正常生理?xiàng)l件下造成胞內(nèi)質(zhì)子不必要的外流。

以上研究成果為進(jìn)一步研究大腸桿菌抗酸機(jī)制提供了重要線索。這是施一公教授研究組繼2009年、2010年報(bào)道Arginine:Agmatine反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AdiC的結(jié)構(gòu)與機(jī)理之后，在腸道細(xì)菌抗酸性研究中的又一重要成果。 

今年，施一公教授的研究工作進(jìn)展順利，1月份，他和顏寧小組合作在《科學(xué)》發(fā)表一篇論文；2月29日，他在《自然》發(fā)表一篇論文。