Синий свет: выключатель для ферментов

Свет влияет на живые организмы по-разному: растения ориентируют рост к солнцу, а у человека свет регулирует циркадные ритмы. В основе этих процессов лежат фоторецепторы — белки, чувствительные к цвету и интенсивности света.

Рост активности фермента в 10 000 раз

Исследователи из Технологического университета Граца (TU Graz) расшифровали работу высокоэффективного фоторецептора. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Учёные изучили белок дигуанилатциклазу, который встречается у многих бактерий. Его ферментативная функция регулирует выработку ключевого сигнального вещества, контролирующего образ жизни бактерий.

В темноте белок почти неактивен, но под действием синей части дневного света его ферментативная активность резко возрастает. «Активность белка при освещении примерно в 10 000 раз выше, чем в темноте», — сообщил руководитель исследовательской группы Андреас Винклер.

У большинства фоторецепторов активность возрастает лишь в 5–50 раз, что приводит к постепенным изменениям. «Наш же белок реагирует очень сильно, работая как настоящий выключатель», — пояснил Винклер. Такой эффективный белковый переключатель может быть использован для улучшения оптогенетических инструментов.

Белок растягивается под синим светом

Исследователи раскрыли структуру и механизм работы белкового переключателя. Белок состоит из двух функциональных частей: одна воспринимает синий свет, другая отвечает за ферментативную активность, катализируя химическую реакцию.

Под синим светом структура белка меняется. В неактивном состоянии он компактен, но при освещении белок растягивается, соединяя ранее разделённые ферментативные части. Затем белок производит специфические сигнальные молекулы, которые сообщают бактерии об изменении условий среды. Бактерия адаптируется к новым условиям, например, образуя биоплёнки, повышающие её устойчивость.

Потенциал для медицины

«Понимание механизма этого светозависимого фермента открывает двери для применения в различных областях», — отметила первый автор исследования Урсула Виде.

Одна из таких областей — оптогенетические методы лечения в медицине. Лекарства, связанные со светочувствительным белковым переключателем, могли бы действовать точно в определённое время и только на ограниченном участке тела, снижая побочные эффекты.

Такой переключатель полезен и в клеточной биологии для целенаправленного запуска молекулярных изменений с последующим анализом. «Однако до практического применения этого конкретного переключателя ещё далеко», — подчеркнул Винклер.

Трёхмерная модель

Для экспериментов белок производили в лаборатории методами генной инженерии. Его молекулярную структуру анализировали с помощью рентгеноструктурного анализа, что позволило создать трёхмерную модель.

В сочетании с дополнительными экспериментами эта модель помогла сделать выводы об изменениях в структуре белка под действием синего света и понять молекулярную функцию биологического переключателя.