Новости

28 ноября, 2022 13:39

Ученые МФТИ пролили свет на перенос ионов живыми клетками

Изучение возможности передачи сигналов внутри живых организмов с помощью ионов перспективно для развития новых направлений биологии и медицины. На этой возможности построена целая наука оптогенетика, которая  исследует  работу нейронов и других клеток с помощью внедрения микробных родопсинов — белков, которые под действием света могут активно или пассивно переносить ионы через мембрану. Ученые из МФТИ изучили структуру SyHR — первого известного микробного родопсина, способного прокачивать дивалентные ионы, благодаря чему стал понятен молекулярный механизм процесса. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications
Модель молекул SyHR (справа) в липидном бислое. Источник: Nature Communications

Перенос ионов является ключевым процессом в живых клетках. Наши клетки поддерживают свою жизнедеятельность путем поглощения в себя полезных веществ и выделения наружу бесполезных или токсичных. Среди полезных веществ есть ионы, они важны и для жизни клетки, и для ее энергетики, а для некоторых клеток, в том числе нейронов, они способствуют передаче сигнала через мембрану. 

«Родопсин SyHR оказался очень интересен для науки с фундаментальной точки зрения, но не менее важно и его возможное практическое применение. Генетически модифицируя клетки, мы можем добавлять в них родопсины, и затем управлять процессами в них при помощи света. В нашей статье описан родопсин, который способен переносить анионы — отрицательно заряженные ионы. Управление клеткой с помощью света может приблизить нас к лечению ряда болезней, которые связаны с нарушением передачи нервных сигналов и могут вызвать потерю зрения или слуха. Помимо этого, люди мечтают о прямом интерфейсе между компьютером и мозгом человека, что возможно осуществить с помощью микробных родопсинов. Обеспечив процесс передачи сигнала от светодиода в нейрон, живую клетку, мы в будущем сможем создать связь с необходимым гаджетом или восстановить нейронные связи в мозге», — рассказал об исследовании один из соавторов — Иван Гущин, руководитель лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ.

Микробные родопсины выполняют разнообразные функции, такие как активный и пассивный транспорт ионов, передача сигнала и другие. При поглощении света в родопсине запускается процесс изменений в структуре и спектре поглощения, известный как фотоцикл. Во время фотоцикла родопсин проходит несколько метастабильных промежуточных состояний. Переходы между этими состояниями приводят к структурным перестройкам белка и тем самым определяют его функцию. 

Структурное исследование SyHR помогает понять, что заставляет родописины перекачивать двухвалентные ионы. Ученые представили кристаллическую структуру SyHR в основном состоянии, структуру его сульфат-связанной формы, а также двух промежуточных состояний фотоцикла. Эти данные раскрывают молекулярные основы уникальных свойств белка, в частности исключительно сильного связывания ионов хлора, и проливают свет на механизм высвобождения и поглощения анионов. 

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования и Российского научного фонда (грант № 21-64-00018).
Теги
Биология
20 января, 2023
Неизведанный Байкал
Интервью с грантополучателем РНФ, директором Научно-исследовательского института биологии Иркутского...
19 января, 2023
Орнитологи составляют 3D-модели территорий певчих птиц
Карельские орнитологи запустили первое в мире исследование территорий певчих птиц в трехмерном объем...