Облегчение оптогенетического контроля роста растений с помощью микробного родопсина
Оптогенетика, названная журналом Science «прорывом десятилетия», позволяет контролировать электрическую активность клеток импульсами света. В то время как в исследованиях на животных клетках это устоявшаяся методика, её широкое применение в исследованиях растений до сих пор было невозможно.
Учёным из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана (JMU) впервые удалось применить оптогенетические методы в растениях табака. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants.
Проблема внедрения в растения
Оптогенетика предполагает введение в клетки «светового сенсора» методами генной инженерии. Ключевую роль сыграл светоконтролируемый катионный канал channelrhodopsin-2. Однако в растительных клетках его применение было ограничено по двум причинам:
- Сложность генетической модификации растений для функционального производства родопсинов.
- Отсутствие в растениях необходимого кофактора — all-trans retinal (витамина A).
Решение: генетический трюк
Исследователям удалось решить обе проблемы:
- Они внедрили в растения табака фермент диоксигеназу из морской бактерии, что позволило растениям производить витамин A из обильного в хлоропластах провитамина A.
- Была оптимизирована интеграция родопсина в клеточную мембрану.
Это позволило впервые неинвазивно управлять интактными растениями или отдельными клетками с помощью света через анионный канальный родопсин GtACR1.
Принцип работы и перспективы
При облучении зелёным светом проницаемость мембраны для отрицательно заряженных частиц резко возрастает, что значительно меняет мембранный потенциал. Это позволяет целенаправленно манипулировать, например, ростом пыльцевых трубок и развитием листьев для детального изучения молекулярных механизмов роста.
Новый подход должен значительно облегчить анализ ранее непонятных сигнальных путей в растениях.
Справка: вклад Георга Нагеля
Профессор Георг Нагель, соавтор работы, является пионером оптогенетики:
- В 1995 году вместе с Эрнстом Бамбергом впервые показал, что светочувствительная ионная помпа архебактерий (бактериородопсин) может функционировать в клетках позвоночных.
- В 2002/2003 годах вместе с Петером Хегеманном открыл и описал светочувствительные канальные белки channelrhodopsin-1 и channelrhodopsin-2 (ChR1/ChR2), доказав, что ChR2 вызывает крайне быстрые светоиндуцированные изменения тока и напряжения в мембране.
- В 2020 году был удостоен (вместе с двумя другими пионерами) Премии Шао в области наук о жизни в размере 1,2 миллиона долларов.