Установлен механизм транспорта протонов внутрь клетки

Биофизики МФТИ совместно с коллегами из России и Европы определили механизм транспорта протонов через клеточную мембрану светочувствительными белками. Полученные результаты найдут применение в развитии оптогенетики, в методике работы с нервными клетками. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Транспорт протонов крайне важен для жизни клеток: как бактериальных, так и животных, поскольку он играет ключевую роль в энергообмене. Он осуществляется за счет светочувствительных белков родопсинов — они, подобно помпам, прокачивают через мембрану клетки различные ионы. У микробов есть свой аналог родопсинов — бактериородопсины. Считается, что молекулярные механизмы перемещения протонов через различные типы протонопроводящих молекул имеют общие универсальные черты. Однако эти механизмы все еще мало изучены. В своей работе команда из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ использовала ксенородопсин из бактерии Bacillus coahuilensis, обнаруженной в Мексике.

«Мы в своей работе изучали ксенородопсины. Это подгруппа микробных родопсинов, которые прокачивают протон внутрь клетки против привычного направления. Их начали изучать недавно, с 2016 года. Наша команда впервые изучила их структуру прямо в процессе их работы при помощи времяразрешенной кристаллографии. Белок возбуждается лазером, а спустя сотни микросекунд облучается рентгеном. Таким образом — при помощи рентгеновской дифракции — нам удалось получить его структуру», — объяснил Федор Цыбров, научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

протонов

Структурные перестройки в цитоплазматической части в ходе фотоцикла. Синие стрелки указывают на ключевые конформационные изменения. Широкая голубая стрелка указывает на предполагаемый путь перемещения протонов. Источник: Nature Structural & Molecular Biology

Авторы смогли определить аминокислоты ксенородопсина BcXeR, которые участвуют в процессе переноса протона. Оказалось, что процесс переноса осуществляется по «протонным проволокам» — цепочкам водородных связей, образованных между молекулами воды. Эти молекулы воды появляются только в процессе работы белка, поэтому ученые увидели их впервые.

По словам авторов, полученные результаты в будущем найдут применение в оптогенетике. Это методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов — опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Если на мозг воздействовать светом с определенной длиной волны, то те нейроны, которые имеют такие каналы, будут активироваться или наоборот: не смогут генерировать потенциалы действия.

«Ксенородопсины — это альтернатива текущему инструменту для возбуждения клеток светом. На основе полученных нами результатов можно создавать новые оптогенетические инструменты. Для этого необходимо найти такие микробные родопсины, которые бы хорошо работали в клетках млекопитающих и были бы безопасны при применении в организме. Нам, к сожалению, пока что удалось добиться функционирования нашего белка только в бактериях. С этой целью анализируются новые метагеномные данные, в которых обнаруживаются ранее не исследованные гены белков. Возможно, какой-то из них окажется пригодным для целей оптогенетики. В том числе при помощи текущего исследования станет понятно, как его можно будет модифицировать и улучшать», — дополнил Федор Цыбров.

В будущем исследователи также планируют точно установить биологическую роль ксенородопсинов в бактериальной клетке — пока что они не могут ответить на вопрос, зачем эти белки нужны бактериям.

В исследовании, кроме научных сотрудников МФТИ, также приняли участие специалисты Геттингенского университета, Института биофизики общества Макса Планка( Германия), Института структурной биологии (Франция), Объединенного института ядерных исследований, МГУ им. Ломоносова и ряда других центров.