Расшифровка криптохромов: новые данные о механизмах светочувствительности белков

Международная группа исследователей под руководством профессора Мануэля Маэстре-Рейны из Национального Тайваньского университета сняла высокоразрешающий 3D молекулярный фильм о работе криптохрома. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Криптохромы — это светочувствительные белки, присутствующие у большинства живых организмов, включая растения и животных. Они помогают синхронизировать внутренние часы с днём и ночью, контролируя циркадные ритмы и реакции на свет. Они важны для таких процессов, как циклы сна, рост растений и, возможно, даже для восприятия магнитного поля Земли.

До сих пор учёным было известно, что криптохромы функционируют, поглощая синий свет, что запускает структурные изменения в белке. Это активирует взаимодействие с другими клеточными белками, влияя на экспрессию генов и биологические ритмы. Однако механизм, с помощью которого криптохромы проявляют эту способность к восприятию света, оставался неясным.

Чтобы получить высокоразрешающий 3D молекулярный фильм о работе криптохрома, команда изначально использовала метод кристаллографии с временны́м разрешением на серийных фемтосекундных кристаллах (TR-SFX) на компактном лазере на свободных электронах SACLA в Японии. Они собрали 19 отдельных «кадров», охватывающих период от 10 наносекунд до 233 миллисекунд после освещения, чтобы смонтировать итоговый фильм.

Получившийся сверхзамедленный фильм с атомным разрешением объясняет, как белок криптохрома усиливает слабый фотохимический сигнал, который затем лавинообразно приводит к драматическим структурным изменениям. Процесс координируется белком, причём три молекулярные области действуют согласованно для осуществления сенсорной функции.

1. Во время начального фотохимического изменения флавинадениндинуклеотид (FAD), особая светособирающая часть внутри белка, использовал энергию синего света для захвата электрона от самого криптохрома, что привело к образованию высоконестабильного состояния радикальной пары.
2. В течение наносекунд белок пытается стабилизировать это недолговечное состояние, модулируя своё непосредственное окружение.
3. Эти локальные изменения нарастают со временем, пока примерно через 100 миллисекунд после образования радикальной пары целые области белка не разворачиваются, подобно ленте, сигнализируя, что криптохром воспринял свет.

Кроме того, поскольку временное образование радикальных пар, аналогичных тем, что обнаружены в фотоцикле криптохрома, также участвует в производстве энергии в клетках, фотосинтезе и даже в восприятии магнитного поля живыми существами, молекулярный механизм криптохрома может служить модельной системой для лучшего понимания основ этих широких тем.

«С помощью кристаллографии с временны́м разрешением мы вступили в эпоху создания белковых фильмов, получив беспрецедентное представление о химических принципах светозапускаемых процессов в природе», — сказал профессор Маэстре-Рейна.