Белковые светопереключатели из водорослей
Каналродопсины (ChRs) — это уникальные белки, которые в ответ на свет определённой длины волны открывают ионные каналы в клеточной мембране. Этот механизм позволяет использовать их для управления ионными процессами в мозге. Подобно микроскопическим выключателям, ChRs дают учёным возможность избирательно активировать отдельные нейроны или нейронные цепи вспышкой лазерного света, даже у живых и активных животных.
Международная коллаборация в Центре RIKEN SPring-8 в Хариме раскрыла фундаментальную структуру этих белков, что может значительно расширить их полезность.
«Исследователи создавали варианты ChR с улучшенными свойствами — ионной селективностью, кинетикой и спектром поглощения, — но эти подходы были ограничены отсутствием структурной информации о ChR», — объясняет ведущий автор Хидеаки Като из лаборатории Осаму Нурэки в Токийском университете.
Рентгеновская кристаллография — мощный инструмент для определения трёхмерной структуры белков, но ChR оказались сложной мишенью. Поскольку их трудно производить в нужных количествах и кристаллизовать, Като и коллеги создали более стабильный гибридный химерный белок из частей родственных белков ChR1 и ChR2 водоросли Chlamydomonas reinhardtii.
Используя мощный источник рентгеновского излучения в Центре RIKEN SPring-8, учёные получили высококачественную структуру всего светочувствительного сегмента ChR.
«Пучковая линия RIKEN, запущенная в мае 2010 года, высокоэффективна для определения структуры по крошечным белковым кристаллам», — говорит соавтор Кунио Хирата.
Полученная структура показала путь, по которому положительно заряженные ионы переносятся через клеточную мембрану, разрешив давние споры среди молекулярных биологов. Большая внешняя «вестибюльная» структура на клеточной поверхности ведёт к поре, выстланной отрицательно заряженными поверхностями, что благоприятствует входу положительных ионов. Эта пора заблокирована, когда ChR неактивен, но освещение на правильной длине волны запускает серию событий переноса протона внутри белка, которые устраняют эти препятствия, позволяя ионам пройти. Серия экспериментов с мутациями подтвердила этот механизм.
«Детальная структурная информация об этом пути должна дать полезные сведения для точного и принципиального дизайна вариантов ChR с изменённой ионной селективностью и спектрами поглощения», — говорит Като.
Учёные планируют продолжить целенаправленный белковый инжиниринг, а также получить дополнительные структуры ChR для дальнейшего подтверждения их функциональной модели.