Натриевый насос может стать молекулярным световым выключателем
Ученые из Юлиха, Гренобля, Франкфурта и Москвы раскрыли атомную структуру KR2 — недавно открытого светозависимого транспортера ионов натрия. На основе структурной информации команда нашла простой способ превратить KR2 из натриевого в калиевый насос. Интегрированный в нейроны, KR2 может стать ценным инструментом для оптогенетики — области, использующей светочувствительные белки для точного контроля активности нейронов с помощью световых импульсов.
В 2013 году при исследовании морской бактерии Krokinobacter eikastus был обнаружен новый тип ионного транспортера в клеточной мембране. Белок KR2, относящийся к светочувствительным белкам, при освещении выкачивает положительно заряженные ионы натрия из клетки. Эта функция ранее отсутствовала в арсенале оптогенетики, но для её применения требовалось знать точную атомную структуру и механизм транспорта.
Команда структурных биологов под руководством Валентина Горделия использовала рентгеновскую кристаллографию и получила первые высокодетальные 3D-изображения отдельной молекулы KR2 и её пятичастного комплекса, который она образует в физиологических условиях.
Уникальные особенности структуры
- Структура KR2 имеет уникальные черты, включая короткую белковую спираль, закрывающую внешнее отверстие насоса как крышка.
- Особый интерес вызвала необычно большая и выступающая полость для захвата ионов с внутренней стороны мембраны. Ученые предположили, что она действует как фильтр, обеспечивая селективность KR2 к ионам натрия.
Превращение насоса
Чтобы проверить гипотезу, команда изменила структуру, заменив определенные аминокислоты в этой полости с помощью направленных мутаций. В результате:
- KR2 потерял способность перекачивать натрий.
- Одна из мутаций, по-видимому, превратила KR2 в светозависимый калиевый насос — первый в своем роде.
Это наблюдение было точно подтверждено в серии электрофизиологических экспериментов в сотрудничестве с экспертом по мембранным белкам Эрнстом Бамбергом из Института биофизики Макса Планка.
Перспективы для оптогенетики
Как отмечает Эрнст Бамберг, для нейронов выкачивание ионов калия из клетки является естественным механизмом деактивации. Светоактивируемый активный калиевый насос позволил бы точно контролировать этот процесс, сделав KR2 высокоэффективным «выключателем» для нейронов.
В сочетании с широко используемым светоактивируемым канальным родопсином 2 (Channelrhodopsin 2), который служит молекулярным «включателем», калиевый насос на основе KR2 мог бы образовать идеальную пару инструментов для прецизионного управления активностью нервных клеток. Следующим шагом является разработка методов интеграции этого насоса в различные типы клеток.