Loading ...Представьте себе величественные ледники Гренландии, вечные снега тибетских высокогорий и вечно ледяные грунтовые воды Финляндии. Какими бы холодными и прекрасными они ни были, для структурного биолога Кирилла Ковалева они, что важнее, являются домом для необычных молекул, которые могут контролировать активность клеток мозга.
Ковалев, научный сотрудник EIPOD в Schneider Group Гамбурга и Bateman Group EMBL-EBI, физик, увлеченный решением биологических проблем. Его особенно зацепили родопсины — группа красочных белков, которые позволяют водным микроорганизмам использовать солнечный свет для получения энергии.
«В своей работе я ищу необычные родопсины и пытаюсь понять, что они делают», — сказал Ковалев. «Такие молекулы могут иметь неоткрытые функции, которые могли бы принести нам пользу».
Некоторые родопсины уже были модифицированы, чтобы служить в качестве переключателей электрической активности клеток, управляемых светом. Эта техника, называемая оптогенетикой, используется нейробиологами для выборочного контроля нейронной активности во время экспериментов. Родопсины с другими способностями, такими как ферментативная активность, могут использоваться, например, для контроля химических реакций с помощью света.
Изучая родопсины в течение многих лет, Ковалёв думал, что знает их вдоль и поперек, пока не открыл новую, малоизвестную группу родопсинов, которая не была похожа ни на что, виденное им ранее.
Как это часто бывает в науке, все началось по счастливой случайности. Просматривая онлайн- базы данных белков , Ковалев заметил необычную особенность, свойственную микробным родопсинам, которые встречаются исключительно в очень холодных условиях, таких как ледники и высокие горы.
«Это странно», — подумал он. В конце концов, родопсины — это то, что обычно можно найти в морях и озерах.
Эти родопсины холодного климата были почти идентичны друг другу, хотя они эволюционировали на расстоянии тысяч километров друг от друга. Это не могло быть совпадением. Они должны быть необходимы для выживания в холоде, заключил Ковалев, и в знак признания этого он назвал их «криородопсинами».
Родопсины из ниоткуда
Ковалев хотел узнать больше: как выглядят эти родопсины, как они работают и, в частности, какого они цвета.
Цвет — ключевая особенность каждого родопсина . Большинство из них розово-оранжевые — они отражают розовый и оранжевый свет и поглощают зеленый и синий свет , который их активирует. Ученые стремятся создать палитру разноцветных родопсинов, чтобы они могли контролировать нейронную активность с большей точностью. Синие родопсины были особенно востребованы, потому что они активируются красным светом, который проникает в ткани глубже и неинвазивнее.
К изумлению Ковалева, криородопсин, который он исследовал в лаборатории, показал неожиданное разнообразие цветов, и, что самое важное, некоторые из них были синими. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Цвет каждого родопсина определяется его молекулярной структурой , которая диктует длины волн света, которые он поглощает и отражает. Любые изменения в этой структуре могут изменить цвет.
«На самом деле я могу сказать, что происходит с криородопсином, просто взглянув на его цвет», — сказал Ковалев.
Применив передовые методы структурной биологии, он выяснил, что секрет синего цвета кроется в той же редкой структурной особенности, которую он первоначально обнаружил в базах данных белков.
«Теперь, когда мы понимаем, что делает их синими, мы можем разрабатывать синтетические синие родопсины, адаптированные для различных областей применения», — сказал Ковалев.
Затем сотрудники Ковалева исследовали криородопсины в культивируемых клетках мозга. Когда клетки, экспрессирующие криородопсины, подвергались воздействию ультрафиолетового света, внутри них возникали электрические токи. Интересно, что если исследователи сразу после этого освещали клетки зеленым светом, клетки становились более возбудимыми, тогда как если вместо этого они использовали ультрафиолетовый/красный свет, это снижало возбудимость клеток.
«Новые оптогенетические инструменты, позволяющие эффективно включать и выключать электрическую активность клетки, были бы невероятно полезны в исследованиях, биотехнологиях и медицине», — сказал Тобиас Мозер, руководитель группы в Университетском медицинском центре Геттингена, принимавший участие в исследовании.
«Например, в моей группе мы разрабатываем новые оптические кохлеарные имплантаты для пациентов, которые могут оптогенетически восстанавливать слух у пациентов. Разработка полезности такого многоцелевого родопсина для будущих применений является важной задачей для следующих исследований».
«Наши криородопсины пока не готовы к использованию в качестве инструментов, но они являются прекрасным прототипом. Они обладают всеми ключевыми характеристиками, которые, исходя из наших результатов, можно было бы спроектировать, чтобы сделать их более эффективными для оптогенетики», — сказал Ковалев.
Защита от ультрафиолетового излучения Evolution
При воздействии солнечного света даже в дождливый зимний день в Гамбурге криородопсин может воспринимать ультрафиолетовый свет, как показали исследования, проведенные с помощью передовой спектроскопии сотрудниками Ковалева из Франкфуртского университета имени Гёте под руководством Йозефа Вахтвейтля.
Команда Вахтвейтля показала, что криородопсины на самом деле являются самыми медленными среди всех родопсинов в своей реакции на свет. Это заставило ученых заподозрить, что эти криородопсины могут действовать как фотосенсоры, позволяя микробам «видеть» УФ-свет — свойство, неслыханное среди других криородопсинов.
«Они действительно могут это сделать?» — продолжал спрашивать себя Ковалев. Типичный сенсорный белок объединяется с молекулой-мессенджером, которая передает информацию от клеточной мембраны внутрь клетки.
Ковалев еще больше уверился в этом, когда вместе со своими коллегами из Аликанте (Испания) и соруководителем EIPOD Алексом Бейтманом из EMBL-EBI они заметили, что ген криородопсина всегда сопровождается геном, кодирующим крошечный белок неизвестной функции — вероятно, наследуемый вместе и, возможно, функционально связанный.
Ковалев задался вопросом, не является ли это пропавшим посланником. Используя инструмент искусственного интеллекта AlphaFold, команда смогла показать, что пять копий небольшого белка образуют кольцо и взаимодействуют с криородопсином.
Согласно их прогнозам, малый белок находится в состоянии равновесия с криородопсином внутри клетки. Они полагают, что когда криородопсин обнаруживает ультрафиолетовый свет, малый белок может отойти, чтобы перенести эту информацию в клетку.
«Было интересно обнаружить новый механизм, посредством которого светочувствительный сигнал от криородопсинов может передаваться в другие части клетки. Всегда волнительно узнавать, каковы функции нехарактеризованных белков. Фактически, мы находим эти белки также в организмах, которые не содержат криородопсин, что, возможно, намекает на гораздо более широкий спектр задач для этих белков».
Почему криородопсин развил свою удивительную двойную функцию и почему только в холодных условиях, остается загадкой.
«Мы подозреваем, что криородопсин развил свои уникальные свойства не из-за холода, а скорее для того, чтобы позволить микробам воспринимать ультрафиолетовый свет, который может быть для них вреден», — сказал Ковалев.
«В холодных условиях, например на вершине горы, бактерии сталкиваются с интенсивным ультрафиолетовым излучением. Криородопсин может помочь им его почувствовать, чтобы они могли защитить себя. Эта гипотеза хорошо согласуется с нашими выводами».
«Открытие таких необычных молекул было бы невозможно без научных экспедиций в часто отдаленные места для изучения адаптации организмов, живущих там», — добавил Ковалев. «Мы можем многому научиться из этого!»
Уникальный подход к уникальным молекулам
Чтобы раскрыть увлекательную биологию криородопсинов, Ковалёву и его коллегам пришлось преодолеть ряд технических трудностей .
Одна из них заключалась в том, что криородопсины практически идентичны по структуре, и даже небольшое изменение положения одного атома может привести к разным свойствам. Изучение молекул на таком уровне детализации требует выхода за рамки стандартных экспериментальных методов.
Ковалев применил подход 4D структурной биологии, объединив рентгеновскую кристаллографию на линии P14 EMBL в Гамбурге и криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) в группе Альберта Гуськова в Гронингене, Нидерланды, с активацией белков светом.
«На самом деле я решил проходить постдокторантуру в EMBL Hamburg из-за уникальной установки линии пучка, которая сделала мой проект возможным», — сказал Ковалёв.
«Вся команда P14 работала сообща, чтобы адаптировать установку к моим экспериментам — я очень благодарен им за помощь».
Еще одной проблемой было то, что криородопсины чрезвычайно чувствительны к свету. По этой причине сотрудникам Ковалева пришлось научиться работать с образцами практически в полной темноте.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
137
