Изучение возможности передачи сигналов внутри живых организмов с помощью ионов очень перспективно для развития новых направлений биологии и медицины. На этой возможности построена целая наука оптогенетика, которая исследует работу нейронов и других клеток с помощью внедрения микробных родопсинов — белков, которые под действием света могут активно или пассивно переносить ионы через мембрану. Ученые из МФТИ изучили структуру SyHR — первого известного микробного родопсина, способного прокачивать дивалентные ионы, благодаря чему стал понятен молекулярный механизм процесса. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Перенос ионов является ключевым процессом в живых клетках. Наши клетки поддерживают свою жизнедеятельность путем поглощения в себя полезных веществ и выделения наружу бесполезных или токсичных. Среди полезных веществ есть ионы, они важны и для жизни клетки, и для ее энергетики, а для некоторых клеток, в том числе нейронов, они способствуют передаче сигнала через мембрану.
«Родопсин SyHR оказался очень интересен для науки с фундаментальной точки зрения, но не менее важно и его возможное практическое применение. Генетически модифицируя клетки, мы можем добавлять в них родопсины, и затем управлять процессами в них при помощи света. В нашей статье описан родопсин, который способен переносить анионы — отрицательно заряженные ионы.
Управление клеткой с помощью света может приблизить нас к лечению ряда болезней, которые связаны с нарушением передачи нервных сигналов и могут вызвать потерю зрения или слуха. Помимо этого, люди мечтают о прямом интерфейсе между компьютером и мозгом человека, что возможно осуществить с помощью микробных родопсинов. Обеспечив процесс передачи сигнала от светодиода в нейрон, живую клетку, мы в будущем сможем создать связь с необходимым гаджетом или восстановить нейронные связи в мозге», — рассказал об исследовании один из соавторов — Иван Гущин, руководитель лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ.
Микробные родопсины выполняют разнообразные функции, такие как активный и пассивный транспорт ионов, передача сигнала и другие. При поглощении света в родопсине запускается процесс изменений в структуре и спектре поглощения, известный как фотоцикл. Во время фотоцикла родопсин проходит несколько метастабильных промежуточных состояний. Переходы между этими состояниями приводят к структурным перестройкам белка и тем самым определяют его функцию.
Модель молекул SyHR в липидном бислое. Источник: Nature Communications
Структурное исследование SyHR помогает понять, что заставляет родопсины перекачивать двухвалентные ионы. Ученые представили кристаллическую структуру SyHR в основном состоянии, структуру его сульфат-связанной формы, а также двух промежуточных состояний фотоцикла. Эти данные раскрывают молекулярные основы уникальных свойств белка, в частности исключительно сильного связывания ионов хлора, и проливают свет на механизм высвобождения и поглощения анионов.
Работа сделана при поддержке Министерства науки и высшего образования и Российского научного фонда.
