Освещая биологический световой выключатель

Исследователи из Weill Cornell Medicine, используя инновационную технику визуализации, раскрыли внутреннюю работу семейства светочувствительных молекул с беспрецедентной детализацией и скоростью. Эта работа может помочь в разработке новых стратегий в бурно развивающейся области оптогенетики, которая использует световые импульсы для изменения активности отдельных нейронов и других клеток.

Светочувствительные белки управляют многими важнейшими биологическими процессами, от фотосинтеза до зрения. Значительная часть научного понимания этих белков основана на исследованиях бактериородопсина — белка, ответственного за фотосинтез у некоторых одноклеточных организмов. Хотя трёхмерная структура бактериородопсина была определена, а его активность детально изучена, ограничения доступных методов оставляли пробелы в моделях.

Новое исследование, опубликованное 10 декабря в Nature Communications, описывает технику, разработанную учёными, — высокоскоростную атомно-силовую микроскопию с линейным сканированием. Она позволяет фиксировать движения бактериородопсина в ответ на свет с миллисекундным разрешением.

«Определение структур белков стало довольно простой задачей, — сказал старший автор работы доктор Саймон Шойринг. — Но современная задача — оценить кинетику, которая даёт динамическое понимание системы».

Другие методы, отслеживающие активность отдельных молекул, работают слишком медленно, чтобы показать, как белок меняет форму за короткие промежутки времени, как это делает бактериородопсин в ответ на свет. Доктор Шойринг сравнивает эти техники с кинокамерой с медленным затвором, которая может запечатлеть быстро летящую птицу в одной части кадра, а затем в другой, но не способна отследить её путь между этими точками.

Ранее эту проблему решали, «связывая птице крылья»: изучали мутантные формы бактериородопсина. «До сих пор для изучения кинетики бактериородопсина использовали более медленные мутанты», — пояснила ведущий автор доктор Альма Перес Перрино. Однако более медленные варианты не отражают нормальную активность белка. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новый метод, который жертвует некоторой детализацией изображения ради гораздо более высокой частоты кадров — подобно тому, как сделать более размытые снимки птицы, чтобы проследить её путь через весь кадр.

«Мы отслеживаем белок каждые 1,6 миллисекунды, что позволило нам изучить скорость нативного (дикого типа) бактериородопсина», — сказала доктор Перес Перрино.

В ответ на свет бактериородопсин переключается между открытым и закрытым состояниями. Используя более быструю технику визуализации, исследователи обнаружили, что переход в открытое состояние и его длительность всегда происходят с одинаковой скоростью. Однако молекула дольше остаётся в закрытом состоянии при уменьшении интенсивности света.

В оптогенетике гены светочувствительных молекул встраивают в нейроны или другие клетки, что позволяет изменять их поведение световыми импульсами. Эта работа произвела революцию в нейронауке и имеет потенциал для лечения неврологических заболеваний. Чем больше исследователи знают о светочувствительных белках, тем дальше смогут продвинуть оптогенетику. «В конечном счёте, вы хотите включить процесс, получить от него максимум и иметь возможность немедленно выключить его снова, — сказал доктор Шойринг. — Поэтому очень важно знать кинетику молекул для этого переключения».