Третий глаз водорослей

Учёные из университетов Вюрцбурга и Билефельда (Германия) обнаружили необычный новый световой сенсор у зелёных водорослей. Этот сенсор запускает реакцию, аналогичную происходящей в человеческом глазу.

Как и наземные растения, водоросли используют солнечный свет как источник энергии. Многие зелёные водоросли активно перемещаются в воде, приближаясь к свету или удаляясь от него. Для этого они используют специальные сенсоры (фоторецепторы), воспринимающие свет.

Многолетние поиски этих световых сенсоров привели к первому успеху в 2002 году: Георг Нагель (в то время в Институте биофизики Макса Планка во Франкфурте-на-Майне) и его коллеги открыли и охарактеризовали у водорослей два так называемых каналродопсина. Эти ионные каналы поглощают свет, затем открываются и транспортируют ионы. Их назвали по аналогии со зрительными пигментами человека и животных — родопсинами.

Теперь известен третий «глаз» у водорослей: исследователи обнаружили новый световой сенсор с неожиданными свойствами. Об этом сообщают научные группы профессора Армина Халльмана (Билефельдский университет) и профессора Георга Нагеля (Вюрцбургский университет) в журнале BMC Biology.

Свет снижает выработку цГМФ

Неожиданность: новый фоторецептор не активируется светом, а ингибируется им. Это гуанилатциклаза — фермент, синтезирующий важный мессенджер цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат). При освещении производство цГМФ сильно снижается, что приводит к падению его концентрации — именно это происходит в человеческом глазу, как только родопсины в нём поглощают свет.

Вновь обнаруженный сенсор регулируется светом и молекулой АТФ. Такие «двухкомпонентные системы» хорошо известны у бактерий, но не у более высокоорганизованных клеток. Исследователи назвали новый фоторецептор «Two Component Cyclase Opsin», сокращённо 2c-cyclop. Они нашли его у двух зелёных водорослей: одноклеточной Chlamydomonas reinhardtii и многоклеточной Volvox carteri.

Функция показана в ооцитах и водорослях

«Много лет существовали генетические данные, из которых можно было сделать вывод, что у зелёных водорослей должно быть гораздо больше родопсинов, чем два ранее охарактеризованных», — объясняет Георг Нагель. Только у Chlamydomonas reinhardtii двенадцать белковых последовательностей отнесены к опсинам — предшественникам родопсинов.

«До сих пор никому не удавалось продемонстрировать функцию этих световых сенсоров», — говорит соавтор исследования доктор Шицян Гао. Сделать это удалось только группам из Билефельда и Вюрцбурга: они внедрили новый родопсин в ооциты шпорцевой лягушки Xenopus laevis и в шаровидную водоросль Volvox carteri. В обоих случаях его функцию удалось показать и охарактеризовать.

Перспективы для оптогенетики

Авторы считают, что световой сенсор 2c-Cyclop открывает новые возможности для оптогенетики. Эта методология позволяет влиять на активность живых тканей и организмов с помощью световых сигналов. С её помощью уже были выяснены многие фундаментальные биологические процессы в клетках. Например, она дала новое понимание механизмов болезни Паркинсона и других неврологических заболеваний, а также таких состояний, как аутизм, шизофрения, депрессия и тревожные расстройства.

Исследователь Георг Нагель и биофизик Петер Хегеманн (Университет Гумбольдта в Берлине) являются пионерами оптогенетики: они открыли каналродопсины и обнаружили, что светоуправляемые ионные каналы из водорослей можно встраивать в клетки животных и затем контролировать светом. За это достижение они оба — вместе с другими исследователями — получили множество наград.