Учёные описали первые молекулярные процессы в глазу при попадании света на сетчатку
Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) расшифровали молекулярные процессы, которые происходят в глазу в первые мгновения после попадания света на сетчатку. Эти процессы, занимающие доли триллионной доли секунды, необходимы для человеческого зрения. Исследование опубликовано в журнале Nature.
В основе процесса лежит микроскопическое изменение белка в нашей сетчатке, происходящее в невероятно короткий промежуток времени. Это самый первый и единственный светозависимый шаг в процессе зрительного восприятия. С помощью рентгеновского лазера на свободных электронах SwissFEL учёные PSI установили, что происходит в первую триллионную долю секунды.
Ключевой участник — наш световой рецептор, белок родопсин. В центре родопсина находится небольшая изогнутая молекула — ретиналь, производное витамина A. Когда свет попадает на белок, ретиналь поглощает часть энергии и с огромной скоростью меняет свою трёхмерную форму, переключая "выключатель" в глазу из положения "выкл." в положение "вкл.". Это запускает каскад реакций, приводящий к восприятию вспышки света.
Связан, но свободен
Но что именно происходит, когда ретиналь превращается из так называемой 11-цис-формы в all-транс-форму? "Мы давно знали начальную и конечную точки превращения ретиналя, но до сих пор никто не мог наблюдать в реальном времени, как именно это изменение происходит в зрительном пигменте родопсине", — говорит учёный PSI Валери Паннельс.
Паннельс сравнивает процесс с падением кошки спиной вниз, которая каким-то образом приземляется на лапы. "Вопрос в том, какие состояния принимает кошка во время падения, чтобы перевернуться и приземлиться на лапы?"
Как обнаружили учёные PSI, "кошка-ретиналь" начинает с поворота середины своего "тела". Но ключевым открытием стало другое: белок поглощает часть световой энергии, чтобы на мгновение слегка "вздохнуть" — "как наша грудная клетка расширяется при вдохе, чтобы вскоре снова сжаться".
На этой стадии "вдоха" белок временно теряет большую часть контакта с ретиналем в своей середине. "Хотя ретиналь всё ещё связан с белком на своих концах химическими связями, теперь у него есть пространство для вращения". В этот момент молекула напоминает собаку на длинном поводке, которая может свободно дёрнуться.
Вскоре белок снова сжимается и прочно удерживает ретиналь, но уже в другой, более вытянутой форме. "Таким образом, ретиналю удаётся перевернуться, не будучи стеснённым белком, в котором он находится".
Один из самых быстрых природных процессов
Превращение ретиналя из изогнутой 11-цис-формы в вытянутую all-транс-форму занимает всего пикосекунду (10-12 секунды), что делает его одним из самых быстрых процессов в природе.
Записать и проанализировать такие быстрые биологические процессы можно только с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах, такого как SwissFEL. "SwissFEL позволяет нам детально изучать фундаментальные процессы человеческого тела, такие как зрение", — говорит Гебхард Шертлер, руководитель исследовательского подразделения PSI.
Возвращаясь к аналогии с кошкой, это похоже на съёмку её падения высокоскоростной камерой, но с одной огромной разницей: скорость "съёмки" SwissFEL в миллион раз выше. Работа с такими установками сложнее, чем просто нажатие кнопки затвора. Исследователи потратили годы на разработку метода получения высококачественных кристаллов родопсина, способных давать данные сверхвысокого разрешения. Только эти данные сделали возможными необходимые измерения на SwissFEL и (до его постройки) на лазере SACLA в Японии.
Этот эксперимент вновь демонстрирует ключевую роль SwissFEL в швейцарских исследованиях. "Вероятно, в будущем он поможет нам найти ещё много решений", — говорит Гебхард Шертлер. Учёные также разрабатывают методы исследования динамических процессов в белках, которые обычно не активируются светом, используя для этого искусственные средства.