Международная группа ученых, в составе которой биофизики из МФТИ, выдвинула гипотезу, объясняющую работу мембранного белка KR2, который под действием света перекачивает ионы натрия через клеточную мембрану, и нашла ключевую структурную особенность таких насосов. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале FEBS Letters.
«Подобные натриевые насосы могут рассматриваться как перспективные инструменты для управления нервными клетками при помощи световых сигналов — то, чем занимается новая наука оптогенетика», — говорится в сообщении пресс-службы МФТИ.
Белок KR2 имеет все шансы стать ключевым инструментом оптогенетики. Её создатели совсем недавно были удостоены премии Breakthrough Prize.
Исследования в этой области проводятся и в МФТИ, и недавно было объявлено о создании центра по изучению старения, в рамках которого, в том числе, планируется создание лаборатории оптогенетики под руководством профессора Валентина Горделия — главного автора обсуждаемой работы.
Рис. 1. Работа мембранного белка KR2.
Среди множества белков, закодированных в человеческом геноме, в особую группу выделяют мембранные белки. Это сложные молекулярные механизмы, которые встроены в мембрану каждой живой клетки и выполняют самые разные функции. Некоторые из них служат активными переносчиками тех веществ, которые сами по себе пройти через клеточную оболочку не могут – например, ионы хлора или калия, при помощи которых клетка регулирует солевой баланс внутри себя.
В организме человека нервные клетки используют эти ионы для того, чтобы передавать нервный импульс: при переносе заряженных частиц через мембрану нейрона меняется разность потенциалов с разных сторон от неё, и электрический сигнал проходит дальше. Для того, чтобы пропустить следующий сигнал, нейрону нужно «сбросить» потенциал на начальное значение. Для этого он использует специальные молекулярные механизмы, которые выкачивают ионы наружу – ионные насосы, или ионные помпы.
Такие насосы в клетках человека работают по сигналу, который подаёт им сама клетка или её окружающая среда – например, они могут реагировать на изменение потенциала вдоль нейрона, чтобы затем автоматически “сбрасывать” потенциал после прохода сигнала. Однако в ряде экзотических организмов (например, в некоторых морских бактериях) такие насосы реагируют не на внутриклеточные сигналы, а на свет. Наличие таких необычных ионных помп открывает возможность для управления нервными импульсами в человеческих и любых других клетках.
В 2002 году учёные под руководством Эрнста Бамберга и Питера Хегеманна показали, что таким способом можно управлять разностью потенциалов по разные стороны клеточной мембраны в клетках одной из зелёной водоросли. Затем за несколько лет было показано, что такой подход можно применять не только на отдельных клетках, но и на более крупных организмах — вплоть до мышей.
Для перекачивания ионов учёные использовали три вида насосов.
- Первый — неспецифичные каналы. Под действием света они пропускают какие-то положительные ионы, но типом ионов управлять не получается.
- Второй — разнообразные галородопсины, перекачивающие через мембрану только отрицательные ионы хлора.
- Третий — протонные помпы, которые могут переносить через клеточную оболочку протоны.
Первых двух типов насосов недостаточно, чтобы с хорошей точностью управлять нервным сигналом, а третий тип насосов плохо влияет на клетку — он меняет pH в ее цитоплазме, что плохо сказывается на работе её внутренних механизмов.
Авторы статьи, основываясь на более ранних своих исследованиях, проанализировали структуру светочувствительного натриевого насоса KR2, которую белок формирует в разных условиях, и на основе этого предложили молекулярный механизм работы этого насоса.
Под действием света ретиналь (светочувствительный элемент в структуре насоса) изменяется, открывая доступ молекуле натрия внутрь белка. Заход натрия внутрь полости белке снова изменяет ретиналь, закрывая обратный ход для натрия. Когда натрий выходит наружу, белок полностью возвращается к исходному положению, готовый к поглощению следующего фотона.
Рис. 2. Работа мембранного белка KR2.
Так же авторы проанализировали, как на работу насоса влияет то, что в мембране он, скорее всего, объединяется в олигомеры — группы из нескольких белков, находящихся близко друг к другу.
Выяснилось, что
ширина «ворот» для прохода иона у белков в таких комплексах чуть больше, чем у одиночного KR2 — 12 ангстрем против 10. При этом у других насосов с известными структурами, ответственными за перенос протона можно измерить подобное расстояние — оно окажется меньше, чем у KR2.
«Мы предполагаем, что величина около 12 ангстрем может быть минимальным значением для того, чтобы белок мог переносить заряженный ион вместо протона. Зная это пороговое значение, мы можем при помощи компьютерных методов модифицировать другие насосы таким образом, чтобы они пропускали нужные нам ионы.
Разумеется, для этого требуется настройка еще в ряде ключевых мест в белке», — приводятся в сообщении слова соавтора статьи, научного сотрудника лаборатории перспективных исследований мембранных белков Виталия Шевченко.
