Структура основного оптогенетического инструмента раскрыта

Международная команда исследователей определила трёхмерную структуру каналродопсина 2 (ChR2) — мембранного белка, широко используемого в оптогенетике для управления нервными клетками с помощью света. Оптогенетика — относительно новая техника, использующая свет для манипуляции нервными и мышечными клетками в живом организме. Подобные подходы применяются для частичного восстановления потери слуха и зрения, а также для управления мышечными сокращениями.

Методы оптогенетики также используются для изучения свойств естественных нейронных сетей, ответственных за эмоции, принятие решений и другие сложные процессы. Оптогенетика была признана Nature «Методом года 2010» и вошла в список «Прорывов 2010 года и важнейших достижений десятилетия» по версии Science.

ChR2 — ключевой оптогенетический инструмент. Это светочувствительный белок, первоначально выделенный в 2003 году из зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Учёные могут встраивать ChR2 в мембрану живой клетки для её контроля. При освещении этот белок пропускает положительно заряженные ионы внутрь клетки через мембрану. В нервной клетке это деполяризует мембрану, имитируя эффект нервного импульса и заставляя конкретный нейрон активироваться.

Поскольку ChR2 работает быстро и относительно безвреден для клеток, он является основным решением для активации нервных клеток. Доступен ряд искусственно индуцированных мутаций для изменения свойств белка. Например, можно увеличить генерируемый им ток или изменить длину волны света, на которую он реагирует. Такие модификации позволяют экспериментаторам работать с белками, адаптированными под их задачи. Исследователи могут даже комбинировать несколько вариантов белка для получения различного отклика на разные длины волн света.

Большинство мутаций, используемых для изменения свойств ChR2, до сих пор вводились более или менее случайно — либо с помощью направленной эволюции, либо на основе данных о известных структурах белков. Ближайшим приближением к реалистичной структуре ChR2 была гибридная конструкция C1C2, на 70% основанная на родственном белке ChR1, а остальное — на самом ChR2. Эта смешанная структура не может объяснить все свойства белка. В результате мутации, предсказанные этой моделью, не вполне реалистичны и поэтому представляют ограниченный интерес для оптогенетики.

Чтобы раскрыть структуру ChR2, авторы исследования использовали метод рентгеноструктурного анализа (XRD), который работает только с образцами в форме кристалла. Кристаллы были получены исследователями с помощью in meso кристаллизации. То есть, белковые кристаллы выращивались в так называемой кубической липидной мезофазе — среде, которая позволяет белкам свободно двигаться, не покидая мембрану. Для определения структуры кристаллы облучали рентгеновскими лучами с длиной волны около 1 ангстрема (что немного меньше длины связей между атомами в белке). В рентгеноструктурном анализе структуры определяются путём анализа того, как излучение рассеивается образцом.

«Попытки решить структуру ChR2 восходят ко времени его открытия в 2003 году. Но, несмотря на усилия многочисленных исследовательских групп по всему миру, структура белка в его естественном состоянии оставалась неизвестной», — говорит Валентин Борщевский, один из авторов статьи и заместитель заведующего Лабораторией перспективных исследований мембранных белков МФТИ. — «Теперь, когда у нас есть структура, в белок можно целенаправленно вводить мутации, чтобы адаптировать его свойства под требования конкретного эксперимента. Не зная структуры, нам приходилось кропотливо подбирать полезные мутации методом проб и ошибок или довольствоваться данными о родственных белках».