Раскрыта структура главного для оптогенетики белка

Международный коллектив ученых из России, Германии, Франции и Чехии получил трехмерную структуру канального родопсина ChR2, которую искали 14 лет. Этот мембранный белок широко используется в оптогенетике для управления нервными клетками при помощи света. Статья опубликована в журнале Science. Работа поддержана графнтом РНФ.

Оптогенетика — современная методика, которая позволяет при помощи света управлять нервными или мышечными клетками в живом организме. Кроме того, схожие методы используются для того, чтобы частично восстанавливать потерянные зрение и слух, управлять сокращением мышц. Методы оптогенетики используются и для того, чтобы изучать свойства естественных нейронных сетей, которые отвечают за эмоции, принятие решений и другие сложные процессы в живых организмах. В 2010 году редакция журнала Nature назвала оптогенетику методом года, а журнал Science назвал ее прорывом десятилетия.

Наиболее распространенный инструмент оптогенетики — светочувствительный белок ChR2, выделенный в начале XXI века из зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii. Ученые встраивают этот белок в мембраны клеток животных, например, мышей. Под действием света он открывается, пропуская положительные ионы через клеточную мембрану внутрь клетки. В случае нервной клетки это запускает деполяризацию мембраны, имитируя прохождение по ней нервного сигнала и активируя конкретный нейрон.

«Получением структуры, безусловно, занималось много разных групп по всему миру с самого открытия ChR2 в 2003 году, однако без особых успехов: до сих пор структуры белка в его естественном виде известно не было, — комментирует главный автор статьи Валентин Борщевский (МФТИ). — Наличие структуры позволит оптогенетике делать осмысленные мутации в белке, подстраивая его под конкретные эксперименты. Конечно, раньше это было невозможно, и большинство мутаций делались трудоемким перебором или на основании структур родственных белков».

На данный момент канальный родопсин ChR2 — наиболее распространенный инструмент для активации нервных клеток, который используется повсеместно, в основном благодаря своей высокой скорости работы и относительной безвредности для клеток. Существует множество искусственных мутаций ChR2, которые модифицируют его свойства, например, увеличивают величину генерируемого тока или длину волны света, при облучении который он срабатывает. Большинство мутаций, однако, сделано сравнительно вслепую, методом направленной эволюции или исходя из данных по структурам похожих белков. Самая похожая структура, имеющаяся на данный момент, — химера C1C2, в структуре которой примерно 70% от родственного белка ChR1 и 30% от ChR2. Эта структура, однако, не позволяет полностью объяснить все свойства белка, а значит, и интересные для оптогенетики мутации, спрогнозированные по этой структуре, не несут особенной правдоподобности.

Чтобы изучить структуру белка, ученые использовали метод рентгеновской кристаллографии. Для его использования необходимо получить кристалл, в узлах которого сидят молекулы белка. Это было сделано при помощи кристаллизации in meso — метода получения кристаллов мембранных белков, при котором для роста кристаллов используется особая среда, позволяющая белкам свободно перемещаться в пространстве, не выходя при этом из мембраны, — липидная кубическая фаза. После этого облучают кристаллы рентгеновским излучением с длиной волны порядка 1 ангстрема (чуть меньше длины межатомной связи в белке) и снимают данные рентгеновской дифракции, из которых затем восстанавливается структура белка.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.