Самый синий из синих: новый водорослевый переключатель освещает биологические исследования

Многие организмы обладают ионными каналами (воротами, которые избирательно пропускают заряженные частицы — ионы — в клетки и важны для их функционирования), называемыми каналродопсинами. Их можно включать и выключать с помощью света. Разные каналродопсины реагируют на разные длины волн светового спектра. Эти каналы можно экспрессировать в чужеродных организмах (животных и человека) методами генной инженерии, что находит применение в оптогенетике — использовании света для модуляции клеточных и генетических функций. До сих пор самой короткой длиной волны, на которую реагировал каналродопсин, был синий свет.

Группа ученых из Технологического института Нагои (Япония) и Университета Джавахарлала Неру (Индия) идентифицировала каналродопсин, реагирующий на еще более короткую волну индигового синего света. В исследовании, опубликованном в Communications Biology (Nature), ученые под руководством профессора Хидэки Кандори и доцента Сатоши П. Цуноды открыли новый каналродопсин, названный KnChR, у вида наземной водоросли Klebsormidium nitens. «Мы выбрали эту водоросль, потому что известно, что она реагирует на свет, но её фоторецепторный домен не был установлен», — сообщает профессор Кандори. В отличие от других известных каналродопсинов, KnChR реагирует на индиговый синий свет.

Известно, что KnChR состоит из семитрансмембранного домена, который формирует пору для входа и выхода ионов. За ним следует белковая часть, включающая домен связывания пептидогликана. Чтобы изучить свойства KnChR, исследователи провели обширные генетические и электрофизиологические эксперименты.

Самым захватывающим результатом стало определение роли «цитоплазматического домена». Все известные каналродопсины имеют большой цитоплазматический домен — область, расположенную внутри клетки. Как объясняет профессор Кандори: «Все известные на сегодняшний день каналродопсины содержат большой цитоплазматический домен, функция которого неясна. Мы обнаружили, что цитоплазматический домен KnChR модулирует свойства ионного канала».

Результаты экспериментов показали, что изменение длины цитоплазматического домена вызывает изменения в закрытии ионного канала. В частности, укорочение домена привело к увеличению времени открытия канала более чем в десять раз. Кроме того, исследователи идентифицировали в этой же области две аминокислоты аргинина — R287 и R291, — которые играют важную роль в свойствах генерируемых световых токов. Они обнаружили, что KnChR проявляет максимальную чувствительность при 430 нм и 460 нм, что делает его «самым синим» каналродопсином.

Ученые уверены, что KnChR будет полезен в биологических системах, требующих специфических параметров возбуждения. Отвечая на вопрос о значении этих открытий, профессор Цунода, ответственный автор исследования, предполагает: «KnChR расширит инструментарий оптогенетики, особенно для двойных световых применений, когда требуется коротковолновое возбуждение». Это означает, что свойство светового управления KnChR можно применять для целевой манипуляции биологическими функциями организма в исследовательских целях. Несколько примеров включают манипуляцию активностью нейронов и миоцитов.

Можно надеяться, что сфера применения этого открытия выйдет за пределы лаборатории в реальный мир. Эти применения могут включать лечение болезни Альцгеймера и сердечных заболеваний, световую терапию для восстановления от депрессии и восстановление зрения.