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「離子」在細胞中扮演不可或缺的角色，參與了神經傳導、肌肉收縮、物質運輸等各種生命活動。如果細胞內外的離子濃度失衡，將導致一系列的生理功能紊亂甚至危及生命。例如細胞內鈉離子濃度過高時會使細胞膨脹、破裂；當鉀離子濃度過低時，則會影響神經傳遞和肌肉收縮。不僅如此，對於細菌來說，維持細胞內鉀離子濃度的平衡也很重要，因為它是細菌用來應對環境中滲透壓變化的關鍵。為了進一步理解細菌體內電解質平衡，中興大學生物化學研究所副教授胡念仁研究團隊與中央研究院院士蔡明道合作，使用最新的冷凍電子顯微鏡技術（cryo-electron microscopy, Cryo-EM），成功解析細菌鉀離子通道蛋白「KtrAB」在開啟和關閉狀態時的高解析度結構。研究結果已於今（2024）年5月發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊。
 
細菌會透過控制鉀離子通道蛋白的開啟／關閉，調節細胞內的鉀離子濃度從而適應不同滲透壓的環境。若能了解這些通道蛋白的分子結構，對於往後研究細菌的生存機制而言非常重要。研究團隊運用Cryo-EM技術，解析出枯草桿菌（Bacillus subtilis）KtrAB通道蛋白結合三磷酸腺苷／二磷酸腺苷（ATP/ADP）的兩種分子結構，進一步了解KtrAB如何被ATP活化而開啟，又如何被ADP抑制而關閉的分子機制。此外，這項研究也解析鈉離子在ATP-KtrAB蛋白的結合位置，並證實鈉離子會與ATP共同協助KtrAB通道的開啟。
 
由於細菌細胞內鈉離子濃度過高將對細胞產生毒性，鉀離子進入細胞後便可減輕這種毒性，因此鉀離子通道的活化具有重要生理意義。藉由本次團隊解析出的KtrAB蛋白結構，科學家未來可以使用生物資訊學和人工智慧（artificial intelligence, AI）篩選可能與KtrAB通道蛋白結合的抑制分子，透過阻止細菌運輸鉀離子導致細菌死亡，有助於設計新型抗生素、對抗細菌感染。此外，該研究也讓我們了解鈉離子在活化鉀離子通道方面的作用機制，對於人類神經細胞中類似的鉀離子通道蛋白（Na+ -activated K+ channel, KNa）有更多的認識，藉此提供因KNa功能不正常所引起的癲癇、腦中風、創傷性腦損傷等神經疾病治療的新思路。
 
此項研究整合多個研究團隊、跨領域合作，團隊也透過該研究展現出在膜蛋白結構研究方面的卓越實力，為未來開發新型抗生素甚至神經疾病的治療藥物奠定了分子結構的基礎。

整理報導
中興大學秘書室（2024年6月12日）。興大解析細菌鉀離子通道蛋白結構 提供人類神經性疾病治療可能的新方向。中興大學秘書室，https://secret.nchu.edu.tw/2024/06/12/23533/