Исследователи описали новый тип белков — «криородопсины», которые встречаются в микробах, живущих в холодных условиях, например в ледниках Гренландии и горах Тибета. Эти белки имеют разные цвета и реагируют на ультрафиолетовый свет. Работа открывает новые возможности для использования родопсинов в медицине и биотехнологиях. Результаты опубликованы в Science Advances.
Родопсины — это белки, которые помогают живым организмам реагировать на свет. Они встречаются у разных микробов и некоторых животных, например у водорослей и бактерий. Главная особенность родопсинов — их цвет. Большинство из них имеют розово-оранжевый оттенок: они отражают розовый и оранжевый свет, а активируются зеленым и синим светом, который они поглощают. Ученые используют родопсины разных цветов, чтобы с их помощью точечно управлять работой нейронов. В науке и медицине ценятся синие родопсины, потому что они активируются красным светом, который лучше проникает в ткани и не повреждает их. Цвет родопсина зависит от его молекулярной структуры, и даже небольшие отклонения могут изменить цвет и свойства родопсина. Благодаря этому ученые могут создавать новые виды родопсинов для разных медицинских и биотехнологических целей.
Команда исследовала криородопсины, обнаруженные у микроорганизмов, живущих в холодных местах, таких как ледники Гренландии, высокие горы Тибета и вечномерзлые грунты Финляндии. Эти родопсины, приспособленные к холодному климату, были практически идентичны друг другу, хотя они эволюционировали на расстоянии в тысячи километров друг от друга. Ученые предположили, что эти белки могут быть необходимы для выживания микробов в холодных условиях.
Первым этапом исследователи выявили и проанализировали последовательности криородопсинов в онлайн-базах данных белков. Чтобы выяснить их строение, ученые использовали рентгеновскую кристаллографию на установке лучевой линии P14. Она позволила получать высокоточные кристаллические структуры белков при активации светом.
Кроме того, для подтверждения и детализации структурных данных ученые применили криоэлектронную микроскопию (cryo-EM). Она позволила визуализировать белки в их естественном состоянии при низких температурах. При работе с образцами исследователи строго контролировали освещение, чтобы не повредить светочувствительные белки — эксперименты проводились почти в полной темноте.
Исследуя цвет криородопсинов, команда обнаружила, что синий цвет зависит от той же редкой структурной особенности, которую ученые изначально обнаружили в базах данных других родопсинов.
«Теперь, когда мы понимаем, почему они синие, мы можем создавать синтетические синие родопсины для различных целей», — рассказал Кирилл Ковалев из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL).
Для проверки функциональности криородопсинов исследователи синтезировали эти белки в клеточных культурах нейронов мозга. При облучении клеток ультрафиолетовым светом в них возникали электрические токи. Последующее освещение зеленым светом усиливало возбудимость клеток, а при использовании ультрафиолетового или красного света возбудимость снижалась. Эти результаты указывают на возможность использования белков для переключения электрической активности клеток, что может быть полезно для нейронауки и медицины.
Для изучения взаимодействия криородопсинов с другими белками команда использовала нейросеть AlphaFold, который предсказал, что рядом с геном криородопсина всегда находится ген, кодирующий маленький белок неизвестной функции. Модель показала, что пять копий этого белка образуют кольцо, взаимодействующее с криородопсином внутри клетки. Ученые предположили, что этот белок может служить посредником для передачи сигнала о воздействии ультрафиолетового света внутрь клетки.
Используя спектроскопические исследования, ученые показали, что криородопсины реагируют на свет медленнее всех известных родопсинов.
«Мы подозреваем, что криородопсины приобрели свои уникальные свойства не из-за холода, а для того, чтобы микробы могли воспринимать ультрафиолетовое излучение, которое может быть для них опасным. В холодных условиях, например на вершине горы, бактерии подвергаются интенсивному ультрафиолетовому излучению. Криородопсины могут помочь им воспринимать его, чтобы они могли защитить себя. Эта гипотеза хорошо согласуется с нашими результатами», — отметил Кирилл Ковалев.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
