植物中的“扛把子”
自然界中的植物，顽强小草也好、高大乔木也罢，无一不是利用光合作用自给自足、人畜无害。
然而植物并非都是如此温顺。有一类植物的“恰饭”方法除了光合作用，还吃肉！
捕虫植物就是植物家族中吃肉的狠角儿。大名鼎鼎的猪笼草便是捕虫植物中的一员。
猪笼草有一类远亲，名为捕蝇草（Venus Flytrap）。与猪笼草静静等待猎物滑入肚中的捕食方式不同，捕蝇草的吃肉方式更为主动。
它们是原产于北美洲的一种多年生草本植物。茎短，在每片叶子的顶端长有一个形似贝壳的小夹子。夹子里贮存有香甜的蜜汁，吸引飞虫、蚂蚁等前来吸食。
当猎物来吃蜜的时候，会触碰到夹子上的刺毛。只要捕虫草的刺毛感受到猎物的运动刺激，两片夹子便迅速合拢，将猎物夹于其中，再慢慢消化吸收。
（贪食苍蝇，糟了！）
恰肉之谜
捕蝇草捕食的过程看起来稀松平常：无非是猎物触碰到刺毛开关，引发了夹片的运动嘛。
但是捕蝇草没有神经系统，它是如何敏锐地感知到猎物并迅速将其捕获的呢？
这个问题涉及细胞的感知机理，是当下颇为火热的生物研究领域之一。然而捕蝇草敏锐反应的背后原理却鲜有确凿的论断与明确的实验证据。
2021年诺贝尔生理和医学奖得主之一，美国斯克利普斯研究所（Scripps Research）Ardem Patapoutian博士，与其合作者近日在捕蝇草的捕食机理研究方向上取得了重要进展。他们从分子水平上揭示了控制捕蝇草夹片闭合的蛋白质结构及其功能。相关研究成果发表于《自然·通讯》。
（右边这位大师参与了工作）
恰肉的关键——FLYC1蛋白质
为研究捕蝇草的捕食机制，作者们将目光聚焦到了捕蝇草中一种名为FLYC1的蛋白质。
这种蛋白质参与形成细胞膜上的机械敏感性离子通道（mechano-sensitive ion channel），是细胞膜感受外界应力变化的“感受器”。
因为FLYC1蛋白的基因序列与先前报道的细菌中构成机械敏感性离子通道蛋白（MscS）非常类似，所以研究者们决定深入探究这种蛋白质的结构-功能关系。
他们利用冷冻电镜（cryo-EM），先给FLYC1蛋白质照了张像（图1）。
图1. 通过冷冻电子显微镜表征获得的FLYC1蛋白质结构。（b）和（c）分别为正视图和俯视图。图源：Nat. Commun.
从图1c的俯视图可以看到，FLYC1中部具有一条空腔。空腔壁上向外伸出七条“臂膀”，规则排列在空腔周围。整体结构类似一朵盛开的花。
这七条“臂膀”横跨在细胞膜两侧， 属于跨膜（transmembrane，TM）结构。每条“臂膀”由6个子部分（TM1到TM6）连接而成。
FLYC1蛋白质的构-效关系
冷冻电镜所得结构显示，FLYC1的中央空腔最窄处开口半径约3.5 Å，大于水合氯离子半径2.5 Å。
计算模拟结果也证实了氯离子确实能够通过中央空腔。机械敏感性离子通道正是借助离子传导的通断来感知外界机械应力。因此，可以肯定FLYC1是捕蝇草捕食的关键部分。
能传导离子的空腔并不稀奇，其他生物中的机械敏感性离子通道也具有这种空腔结构，也能传导离子。
意外的是外侧“臂膀”的部分。
前文已述，FLYC1空腔外侧有七条伸出去“臂膀”。
仔细观察后发现，这七条“臂膀”在TM4和TM5两部分的连接处有玄机！
其中六条“臂膀”的连接处呈向下方向（图2橘黄色构象），而一条“臂膀”的连接处呈向上方向（图2蓝灰色构象）。
图2. FLYC1蛋白质一条TM侧链的朝上（蓝灰色）与朝下（橘黄色）的两种构象。图源：Nat. Commun.
这种“六下一上”的排列打破了结构的对称美。
这个向上的一支“臂膀”仿佛是一个被动过的开关。作者们决定人为地把这个开关按下，看看会发生什么状况。
连接处的R334片段和D598片段相互作用控制着上、下状态（图2c）。
因此，通过改造蛋白质结构，将R334和D598强行分离后，研究者们制备出具有七个向下“手臂”的变种FLYC1蛋白。
将这种变种蛋白与正常蛋白进行刺激反应实验，二者表现的确大相径庭（图3）。
图3. 受到拉伸刺激后， 通过两种FLYC1蛋白质中央通道的离子电流：黑线为正常FLYC1蛋白质（六下一上），红线为人为修饰后的FLYC1蛋白质（七下）。图源：Nat. Commun.
正常FLYC1蛋白能在施加压力后迅速产生一个离子电流脉冲（图3黑色曲线）。
而变种FLYC1蛋白虽然也能迅速形成离子电流，但电流信号衰减则相对正常FLYC1要慢得多。对应宏观表现就是捕蝇草的夹片迟迟不能完全合拢。
也就是说，把FLYC1的一个“开关”关上，捕蝇草就难以恰肉了。
作者们推测这个小小的结构变化可能迟滞了整个蛋白质在受激后的结构转变，造成无法快速切断离子传输。
未来工作
FLYC1不是有七个手臂么，每个手臂均有两种模式——上或下。理论上一共应有27=128种排列方式。
这128种构象会对捕蝇草的捕食行为有何影响？
FLYC1是不是决定捕蝇草捕食功能的唯一部分？
这些问题目前仍没有解答，还需要进一步探索。
不禁感慨，造物主构造的各种生物仿佛是精巧的机器。每个小零件都有大作用，真可谓“牵一发而动全身”！
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完整研究成果请参阅论文原文：
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来源：高分子科学前沿
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