Универсальный механизм эффективности светочувствительных белков для оптогенетики
Светочувствительные белки, такие как каналродопсины, — ключевой инструмент оптогенетики, позволяющий активировать определённые функции в живых организмах (например, нервные клетки) с помощью света. Исследователи из Центра белковой диагностики (PRODI) Рурского университета в Бохуме с помощью спектроскопии обнаружили универсальный функциональный механизм, определяющий эффективность этих белков как ионных каналов. Результаты опубликованы в журнале Communications Biology 14 мая 2021 года.
Проблема естественных белков для оптогенетики
Свойства природных светочувствительных белков (например, из зелёных водорослей) не всегда оптимальны для применения в оптогенетике. Для их адаптации последовательности генов изменяют, но часто это делается методом проб и ошибок. Для целенаправленной оптимизации необходимо глубокое понимание молекулярных реакций и проводимости ионов.
Два пути структурных изменений определяют эффективность
Комбинируя спектроскопию Фурье-инфракрасного преобразования с временным разрешением и биомолекулярное моделирование, команда ранее обнаружила, почему широко используемый в оптогенетике белок каналродопсин 2 со временем теряет эффективность.
Оказалось, что световая стимуляция индуцирует два разных структурных изменения:
- Открытие канала (желаемый эффект для оптогенетики).
- Альтернативное изменение, дающее слабый ионный ток. При длительном облучении этот второй путь подавляет открытие канала, что является недостатком.
В новом исследовании учёные изучили другой белок — анион-каналродопсин-1. Этот канал почти не теряет эффективности при длительном облучении и не имеет второго параллельного пути структурных изменений.
Выводы и перспективы
Клаус Герверт заключает: «Мы доказали, что разделение на два параллельных пути приводит к неэффективным каналам. В эффективных каналах, по-видимому, нет второго пути».
Тилль Рудак прогнозирует: «В будущем мы будем использовать понимание молекулярных механизмов эффективности каналов, чтобы блокировать неэффективный второй путь с помощью целенаправленного белкового дизайна и создавать улучшенные оптогенетические инструменты».