Уточнённый трёхмерный портрет нового бактериального белка-родопсина поможет приспособить его для нейробиологических экспериментов.

Современные исследователи могут управлять активностью нейронов, включая и выключая их прямо в живом мозге в буквальном смысле по своему желанию.

Для начала в нужные нейроны с помощью генной инженерии вводят ген фоточувствительного белка – клетка его синтезирует и встраивает в мембрану. Фоточувствительный белок работает ионным каналом – поймав свет, он пропускает через мембрану определенные ионы, так что в результате на мембране меняется электрический потенциал, и в результате нейрон генерирует электрохимический импульс. Чтобы управлять нейроном или группой нейронов с фотобелком, к ним подводят специальные световоды. В целом весь этот комплекс методов называют оптогенетикой, о которой мы неоднократно писали.

Перспективы у оптогенетики огромные – включая и выключая нейроны, можно очень много узнать о самых разных вещах, начиная с того, как мозг управляет движениями конечностей и заканчивая нейробиологическими механизмами эмоций, памяти и т. д. И очевидно, что ключевую роль здесь играют те самые фоточувствительные белки.
Это родопсины, точнее, канальные родопсины, которые позаимствовали у зелёных водорослей (им родопсины помогают искать более освещённые места). Фоточувствительные белки стараются модифицировать так, чтобы они как можно лучше подходили для оптогенетических задач, но для того, чтобы изменить белок в нужную сторону, нужно точно знать, как он устроен.
Пространственное устройство родопсина из водорослей ChR2 удалось увидеть совсем недавно – два года назад исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) вместе с коллегами из Юлихского исследовательского центра, Института биофизики Общества Макса Планка опубликовали в Science статью с описанием структуры ChR2.

И вот сейчас в Science Advances вышла новая статья, в которой сотрудники МФТИ, Юлихского исследовательского центра, Института структурной биологии Гренобльского университета и других европейских научных центров описывают структуру другого фоточувствительного белка: родопсина KR2, обнаруженного несколько лет назад в клеточной мембране морской бактерии Krokinobacter eikastus.
KR2 выкачивает из клетки ионы натрия, а его мутантные формы могут выкачивать ещё и калий. Его структуру неоднократно пытались расшифровать, но KR2 оказался в этом смысле как-то очень многолик: разные исследовательские группы сообщили о пяти разных 3D-«портретах» белка, причём в некоторых случаях речь шла о мономерах, а в других – о пентамерах, то есть пяти молекулах KR2, объединённых в единый функциональный комплекс.

Оказалось, что разные исследователи изучали белок не в одинаковых условиях. В естественной среде – то есть в море, где живёт бактерия – KR2 находится в определённой концентрации солей, в определённой кислотности и пр., и лишь в таких условиях он делает то, что от него ждут: в ответ на свет качает ионы натрия, одновременно складываясь в комплексы-пентамеры. Разнообразные ложные структуры получались либо из-за неудачной кристаллизации (пространственное устройство белковых молекул изучают, превращая их в кристаллы), либо они появлялись в таких условиях, когда KR2 почти полностью терял те свойства, которые делали его полезным для оптогенетики.

По словам Валентина Горделия, руководителя Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в МФТИ и в Институте структурной биологии в Гренобле, сейчас впервые удалось смоделировать для KR2 физиологические условия и описать для него правильную структуру, которая возникает при надлежащих свойствах окружающей среды. Зная структуру родопсина KR2, его можно настроить для оптогенетической работы, и, возможно, в ближайшее время нас ждут удивительные нейробиологические открытия, совершённые как раз благодаря этому новому белку.