Редкие синие белки из холодоустойчивых микробов могут стать прототипами молекулярных переключателей
Структурный биолог Кирилл Ковалев изучает родопсины — цветные белки, которые позволяют водным микроорганизмам использовать солнечный свет для получения энергии. Некоторые родопсины уже используются в оптогенетике — технике, позволяющей нейробиологам избирательно контролировать активность нейронов с помощью света.
Просматривая базы данных белков, Ковалев обнаружил необычную группу микробных родопсинов, встречающихся исключительно в очень холодных средах: ледниках Гренландии, высокогорьях Тибета и холодных грунтовых водах Финляндии. Несмотря на тысячи километров расстояния, эти белки были почти идентичны друг другу. Ковалев заключил, что они необходимы для выживания в холоде, и назвал их «криородопсинами».
Родопсины синего цвета
Цвет — ключевая характеристика родопсина. Большинство из них розово-оранжевые. Синие родопсины особенно востребованы, поскольку активируются красным светом, который глубже и менее инвазивно проникает в ткани.
К удивлению Ковалева, изученные в лаборатории криородопсины показали неожиданное разнообразие цветов, и, что важнее, некоторые из них оказались синими. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Цвет определяется молекулярной структурой белка. Применив методы структурной биологии (рентгеновскую кристаллографию на пучковой линии P14 в EMBL Hamburg и крио-электронную микроскопию), Ковалев выяснил, что секрет синего цвета кроется в редкой структурной особенности, которую он изначально заметил в базах данных.
«Теперь, когда мы понимаем, что делает их синими, мы можем создавать синтетические синие родопсины, адаптированные для различных применений», — сказал Ковалев.
Двунаправленный переключатель для клеток
Коллеги Ковалева изучили криородопсины в культивируемых клетках мозга. При облучении клеток, экспрессирующих криородопсины, УФ-светом в них возникали электрические токи. Если затем клетки освещали зеленым светом, их возбудимость повышалась, а при использовании УФ/красного света — снижалась.
«Новые оптогенетические инструменты для эффективного переключения электрической активности клеток в положение "вкл" и "выкл" были бы невероятно полезны в исследованиях, биотехнологии и медицине», — отметил Тобиас Мозер, участвовавший в исследовании.
Ковалев подчеркивает, что криородопсины пока не готовы к применению в качестве инструментов, но являются отличным прототипом, обладающим всеми ключевыми особенностями для последующей инженерии.
Датчик УФ-излучения в эволюции
С помощью спектроскопии коллеги Ковалева из Университета Гёте во Франкфурте показали, что криородопсины могут чувствовать УФ-свет и являются самыми медленными среди всех родопсинов по скорости реакции на свет. Это навело на мысль, что они могут действовать как фотосенсоры, позволяя микробам «видеть» УФ-свет.
Ковалев и его соавторы заметили, что ген криородопсина всегда соседствует с геном, кодирующим маленький белок неизвестной функции. Используя инструмент ИИ AlphaFold, команда показала, что пять копий этого малого белка формируют кольцо и взаимодействуют с криородопсином. Учёные полагают, что при обнаружении криородопсином УФ-света этот малый белок может отделяться и передавать сигнал внутрь клетки.
«Мы подозреваем, что криородопсины развили свои уникальные особенности не из-за холода, а чтобы позволить микробам чувствовать УФ-свет, который может быть для них вреден», — сказал Ковалев. «В холодных условиях, например, на вершине горы, бактерии сталкиваются с интенсивным УФ-излучением. Криородопсины могут помогать им его ощущать, чтобы защититься».