Биофизики приблизились к созданию "кольца всевластья" для мозга

Ученые из России и Франции выяснили, как устроен и работает один из самых перспективных белков-родопсинов, которые можно использовать для абсолютного контроля поведения отдельных нервных клеток при помощи вспышек света. Его истинная структура и перспективы по применению были обрисованы в журнале Science Advances.

"Мы впервые смоделировали так называемые физиологические условия существования и работы KR2 и в результате описали "правильную" структуру, которая возникает при надлежащих свойствах окружающей среды. Заодно удалось объяснить, из-за чего возникли серьезные погрешности в прежних многочисленных исследованиях структуры объекта", — пояснил Валентин Горделий, сотрудник МФТИ и Институте структурной биологии в Гренобле.

Ученых давно интересовал вопрос о том, как можно точечно управлять нейронами. Осуществить идею удалось лишь в 2005 году, когда группа исследователей из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота смогла изменить нейроны генно-инженерными способами и возбудить нервные клетки, облучив их светом. Этот метод назвали оптогенетикой – сочетание оптики и генетики.

В последующие годы сам биологи создали несколько других версий этого подхода, работающих с другими типами света или принципиально иными типами излучения. К примеру, в мае 2017 года ученые их ИБХ РАН и МГУ создали "тепловую" версию оптогенетики, позаимствовав гены у змей, а их коллеги из МФТИ выяснили, как можно напрямую управлять работой мышц при помощи лазера.

Океанологи обнаружили в особых пигментных клетках в коже осьминогов особые белки, похожие по своей структуре на те цепочки аминокислот, которые помогают нашим глазам видеть мир.

Ключевой рабочий элемент этой методики – особые белки-родопсины, способные поглощать энергию света и использовать ее для перекачки протонов или прочих ионов внутрь клетки или их транспортировки во внешнюю среду. В последние несколько десятилетий ученые активно ищут подобные молекулы, изучая гены и содержимое клеток разных микробов и многоклеточных существ.

К примеру, шесть лет назад японские ученые обнаружили, что морская бактерия Krokinobacter eikastus обладает особой разновидностью этого белка, которая может избирательно выкачивать из клеток только ионы натрия, переключаясь на протоны только при их полном отсутствии.

Это открытие сразу вызвало огромный интерес со стороны нейрофизиологов, так как ионы натрия играют ключевую роль в передаче электрических сигналов между нервными клетками. Соответственно, возможность управлять их передвижениями внутри нейрона и в окружающей его среде позволит ученым получить абсолютный контроль над работой нервной системы.

Первые же опыты, проведенные с этим белком, KR2, раскрыли массу странностей, уменьшивших энтузиазм ученых. В частности, разные группы биофизиков пришли к непохожим друг на друга выводам о том, как устроены эти биологические "насосы". Часть из них считала, что они сложены из одиночных молекул KR2, а исследования других ученых показывали, что эти молекулы объединены в так называемые пентамеры, устойчивые группы из пяти однотипных звеньев.

Мономер (слева) и пентамер родопсина KR2 в клеточной мембране (голубые диски)

Горделий и его коллеги выяснили, почему возникли эти расхождения, и раскрыли "истинное лицо" данного светочувствительного белка, обратив внимание на то, что его "изобретатель" – бактерия Krokinobacter eikastus – живет в очень специфических условиях среды, которые фактически никогда не меняются.

Ученые предположили, что даже малейшие отступления от этих параметров будут приводить к тому, что структура и работа KR2 будут серьезно нарушены. Руководствуясь этой идеей, ученые повторили те условия, в которых "живут" молекулы этого родопсина, заморозили их и раскрыли точную трехмерную форму этого ионного насоса.

Оказалось, что он действительно представлял собой пентамер, а остальные формы этого белка оказались ложными артефактами, возникшими в результате неправильного подбора условий. В таких конфигурациях, как отмечают исследователи, белок не может работать и фактически бесполезен для его обладателя.

Открытие его истинной формы, по словам биофизиков, поможет ученым адаптировать эту молекулу для работы в нервных клетках человека и других многоклеточных живых существ. Это, в свою очередь, позволит использовать его для раскрытия тайн работы мозга и лечения многих болезней, при которых нервные клетки начинают вести себя неправильным образом.