Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • techweek
  • Biohacking
  • Био/​мол/​текст

Прорыв в оптогенетике

Подлинный родопсин KR2

Дмитрий Людмирский, «За науку»

Коллаборация ученых из Московского физико-технического института (МФТИ), Института структурной биологии Гренобльского университета и Европейского ускорительного комплекса в Гренобле (Франция), Юлихского исследовательского центра, Аахенского университета и Института Макса Планка (Германия) впервые в мире раскрыла и изучила структуру белка-родопсина KR2 в физиологических условиях. Эта пионерская работа сулит новый прорыв в одной из самых актуальных биомедицинских дисциплин – оптогенетике – и таких ее практических применениях, как лечение широко распространенных неврологических заболеваний. Клиническая депрессия, повышенная тревожность, эпилепсия, болезнь Паркинсона – все эти патологии получат новый инструмент эффективной терапии благодаря фундаментальному открытию международной группы исследователей, в которой ведущую роль сыграла команда биофизиков МФТИ. Работа ученых опубликована в одном из самых престижных научных журналов – Science Advances, издании Американской ассоциации содействия развитию науки (Kovalev et al., Structure and mechanisms of sodium-pumping KR2 rhodopsin).

Несколько лет назад в клеточной мембране морской бактерии Krokinobacter eikastus был обнаружен новый, ранее неизвестный тип транспортера ионов – белок-родопсин, получивший название KR2. Он принадлежит к группе светочувствительных белков, которые как раз и использует оптогенетика. Под воздействием света подобные белки позволяют заряженным частицам – ионам – проникать в клетку или выходить из нее. Внедрив такие транспортеры ионов в нейронную мембрану, ученые получают возможность при помощи направленных световых импульсов влиять на потенциал клеточной мембраны нейронов, контролируя их активность. KR2 оказался способным целенаправленно выводить из клетки конкретный вид ионов – ионы натрия. Он «выкачивает» их из клетки, а не пропускает в обе стороны, поэтому для обозначения такого активного действия ученые используют английский глагол pump. Соответственно, KR2 именуют «насосом». К тому же, его мутантные формы способны качать сквозь клеточную мембрану ионы не только натрия, но и калия. Поэтому встраивание KR2 в клеточную мембрану нейронов теоретически могло бы обеспечить возможность полного управления активностью нервных клеток.

Но волна исследований, порожденная открытием нового «насоса», столкнулась и с некоторыми весьма загадочными свойствами этого родопсина. В частности, оказалось, что несколько групп исследователей в ходе своей работы обнаружили и описали в общей сложности целых пять отличающихся друг от друга структур многообещающего белка. Примечательно, что в части этих структур пять молекул белка были организованы в устойчивый пентамер, в то время как в оставшихся присутствовали только мономеры белка.

«И встал драматический вопрос: а какую же из этих структур считать правильной? – рассказывает один из основных авторов работы, аспирант МФТИ Кирилл Ковалев. – Вообще говоря, все найденные структуры оказались довольно схожими, но ведь дьявол в деталях: именно от них зависят возможности применения вновь открытого объекта в научной и клинической практике».

И вот в результате работы группы ученых во главе с физтехами выяснилось происхождение пугающего многообразия структур нового белка. Оно оказалась порождено тем, что разные группы исследователей изучали KR2 в не полностью одинаковых условиях. Между тем, обладающий уникальными свойствами белок синтезируется организмом бактерии, обитающей в океане при очень специфических параметрах окружающей среды: ее окружает водная толща со строго определенной концентрацией соли, кислотностью, водородным показателем pH. Именно и только при этих условиях белок делает то, чего от него ждут ученые, – качает ионы натрия, формируя при этом пентамеры в мембране клеток.

KR2.jpg

Мономер (слева) и пентамер родопсина KR2 в клеточной мембране (голубые диски). В мономерном состоянии транспорт натрия заблокирован, пора (оранжевая) не позволяет ионам проникать в белок. Рисунок из статьи в Science Advances.

Разнообразные «ложные» структуры белка были, оказывается, либо артефактами кристаллизации, либо обнаружены и изучены в таких условиях, когда KR2 практически не несет в себе тех свойств, за которые на него возлагает огромные надежды всемирное сообщество оптогенетиков.

«Мы впервые смоделировали так называемые физиологические условия существования и работы KR2 и в результате описали «правильную» структуру нового белка, которая возникает при надлежащих свойствах окружающей среды. Мы показали, что функциональной единицей белка является именно пентамер, – поясняет Валентин Горделий, руководитель Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в МФТИ и в Институте структурной биологии в Гренобле. – Заодно удалось объяснить, из-за чего возникли серьезные погрешности в прежних многочисленных исследованиях структуры объекта».

Специалисты считают, что знание подлинной структуры революционного для оптогенетики родопсина KR2 в физиологических условиях не только является фундаментальным для понимания механизма работы белка, но и открывает множество новых грандиозных возможностей для изучения работы нервной системы живых организмов, моделирования новых инструментов оптогенетики и их применения в медицинской практике.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Читать статьи по темам:

нейроны молекулярная биология Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Ксенородопсин для оптогенетики

Международный коллектив ученых опубликовал работу по изучению светочувствительного белка NsXeR из класса ксенородопсинов.

читать

В поиске потерянных воспоминаний

Забытые из-за синдрома Альцгеймера воспоминания можно вернуть, если активировать так называемые энграммные нейроны, отвечающие за доступ к ним.

читать

Почему умирают нервные клетки

Если скопления патологически свернутых белков в ядрах нейронов практически не влияют на их функции, то находящиеся в цитоплазме белковые агрегаты нарушают важные транспортные пути между цитоплазмой и ядром.

читать

Успехи биологов уберегут клетки от гибели

Если мы поймем, что происходит, когда клетки лишаются кислорода и питательных веществ, можно будет выработать стратегию лечения, уменьшающую разрушительное действие инсульта.

читать

Старые аксоны способны к регенерации?

Изучение сигнальных путей, регулирующих старение нейронов, может подсказать, как побудить их аксоны регенерировать после травмы.

читать