Изучена работа белка, генерирующего энергию из света
Группа российских и немецких ученых показала механизм действия белка бактериородопсина, который участвует в процессе генерации энергии из света. Этот белок важен для оптогенетики — метода, в котором с помощью лазера управляют нервными клетками. Исследование опубликовано в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Бактериородопсин — это белок архей, который был открыт более 40 лет назад. Он участвует в процессе синтеза АТФ, для которого на мембране клетки образуется электрический потенциал за счет разницы в концентрациях протонов по разные стороны от мембраны. Бактериородопсин способен поглощать фотоны света, а за счет этой энергии он перемещает протоны с одной стороны мембраны по другую. Этому белку уделяется огромное внимание в оптогенетике — методике, которая позволяет управлять нейронами с помощью лазера. Хотя бактериородопсин хорошо изучен, механизм его работы оставался непонятным. Дело в том, что в процессе его работы происходят структурные перестройки, которые трудно засечь.
Исследователи изучили разные переходные структуры бактериородопсина с помощью рентгеноструктурного анализа и спектроскопии. Оказалось, что в белке есть «протонные ворода», соединяющие ключевые участки белка, в которых происходят перестройки. По этим проводам проходят протоны. Именно это открытие объясняет, каким образом протоны могут переходить с одной стороны мембраны на другую. В ходе эксперимента белок освещался лазером, чтобы он мог получать энергию за счет фотонов. Цикл структурных перестроек бактериородопсина составил всего 10 миллисекунд.
Ученые также разработали методы, которые позволяют захватывать только одно переходное состояние белка. Для этого белок кристаллизовали, кристаллы замораживали, а потом освещали лазером. В зависимости от температуры белок мог перейти в первое состояние, при ее повышении — во второе и т. д.
При этом ученым пришлось столкнуться с рядом проблем в экспериментах, которые встречались и у других исследовательских групп. Так, рентгеновское излучение могло повреждать образцы, лазер слишком высокой интенсивности мог создавать артефакты и т. д. «Ранее у нас вышла серия из нескольких статей, в которой мы каждую из проблем в экспериментах отдельно охарактеризовали. Была еще проблема двойникования кристаллов. Не буду вдаваться в детали, смысл в том, что, когда ты выращиваешь кристаллы, можешь не заметить, что они растут не такими, как надо. Это тоже создает артефакты при простом анализе. После того как мы разобрались с этими проблемами, поняли, как их обходить, можно было приступить к созданию непротиворечивой модели работы, собственно, бактериородопсина. В результате появилась эта публикация как результат многолетнего труда», — рассказал Валентин Борщевский, руководитель проекта, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.