Расшифрована структура "заветного белка" оптогенетиков, которую искали 14 лет

Большая международная коллаборация учёных, в которую входят исследователи из МФТИ, выяснила трёхмерную структуру белка ChR2, который позволяет управлять живыми клетками с помощью света. За этим достижением "гонялось" множество научных групп по всему миру в течение 14 лет.

У некоторых организмов есть белки, реагирующие на свет. Если внедрить ген, отвечающий за синтез такого белка, в ДНК, скажем, лабораторной мыши, можно с помощью света управлять работой её клеток. Этот метод называется оптогенетикой. Ещё в 2010 году редакция журнала Nature назвала его методом года, а редакция журнала Science – прорывом десятилетия.

Обычно для этого используется белок ChR2, выделенный в 2003 году из зелёных водорослей вида Chlamydomonas reinhardtii. У этого белка есть очевидные преимущества перед конкурентами: высокая скорость работы и относительная безвредность. Встроенный в мембрану живой клетки, он, получив "команду" от светового луча, пропускает внутрь клетки положительные ионы.

А ведь именно этот процесс лежит в основе нервного импульса возбуждения. Поэтому ChR2 даёт возможность возбуждать конкретные нейроны, просто посветив на них. Это позволяет учёным (пока ещё в экспериментах) частично восстанавливать потерянное зрение и слух, управлять сокращением мышц, изучать, как возникают эмоции и принимаются решения.

При этом экспериментаторам может не хватить естественных свойств белка ChR2. Например, им может понадобиться, чтобы он открывал ионные каналы ещё эффективнее. Не откажутся биологи и от набора белков, каждый из которых реагирует на свет своей собственной длины волны. Это позволит управлять разными нейронами одновременно и независимо. Иногда нужно изменить скорость работы белка. Есть у учёных и много других желаний.

Всё это означает, что нужно уметь модифицировать ChR2, создавать белки, которые совпадают с ним в одних отношениях и отличаются в других.

До сих пор учёные плохо это умели. По простой причине: никто не знал трёхмерной структуры ChR2. Приходилось действовать во многом вслепую, используя направленную эволюцию, или ориентироваться "модели" ChR2 – белки с известной структурой и в чём-то похожими свойствами. На данный момент самая удачная модель – химера C1C2, в которой примерно 70% от родственного белка ChR1 и 30% собственно от ChR2. Но и она не воспроизводит всех свойств заветного белка.

И вот, спустя 14 лет после открытия ChR2, его трёхмерная структура, наконец, определена. Авторам удалось получить свой результат с помощью рентгеновской кристаллографии. Для этого они создали кристалл, в узлах кристаллической решётки которого располагались молекулы ChR2.

Вырастить такой кристалл непросто, ведь молекулам ChR2 нужно оставаться на клеточной мембране, чтобы белок сохранил работоспособность. Для этого используется особая трёхмерная структура, которую специалисты называют липидной кубической фазой.

Липиды – это жиры и близкие к ним вещества, из которых во многом и состоит клеточная мембрана. В определённом диапазоне температур и концентраций некоторые из этих веществ могут складываться в поверхность сложной формы. Её можно представить себе как измятый лист бумаги, засунутый в тесную коробку.

Хотя лист двумерен, а коробка трёхмерна, до многих точек внутри коробки можно добраться, не покидая листа: он заполняет собой пространство благодаря тому, что он так измят и изогнут. Так и молекулы белка могут добраться до узла растущей кристаллической решётки, не покидая липидной кубической фазы. Биологи называют это выращиванием кристалла in meso.

Полученный кристалл учёные облучали рентгеновским излучением с длиной волны порядка 1 ангстрема (чуть меньше длины межатомной связи в белке). "Натыкаясь" на молекулы белка и огибая их, лучи складывались в структуру, которую физики называют дифракционной картиной. По этой картине, применив математические методы, и восстановили структуру белка.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о другом замечательном результате, полученном с помощью дифракции рентгеновских лучей: 3D-анимации активности вируса.

Теперь биологи знают структуру белка ChR2, а потому смогут эффективно создавать его аналоги. А значит, у оптогенетики, уже удивлявшей нас восстановлением утраченных воспоминаний и мышами, которые влюбляются по приказу, впереди новые чудеса.