В 2013 году ученые сделали неожиданное открытие, исследуя морскую бактерию Krokinobacter eikastus. В клеточной мембране бактерии имелся ранее неизвестный тип переносчика ионов. Белок, получивший название KR2, принадлежит к группе светочувствительных белков, которые стали основой области исследований в области оптогенетики. Под воздействием света эти белки позволяют заряженным частицам проникать в клетку или переносить их за пределы клетки.
Интеграция этих переносчиков ионов в мембрану нейронов позволяет изменять их состояние заряда с помощью световых импульсов, что позволяет точно контролировать их активность. Этот метод быстро получил распространение, в частности, в неврологии. Однако в настоящее время для этого доступно только несколько белков, и каждый из этих белков был проницаем только для определенных ионов.KR2 переносит положительно заряженные ионы натрия из клетки, что до сих пор отсутствовало в инструментарии оптогенетики.
Однако до сих пор не были известны ни точная атомная структура, ни механизм переноса ионов, что является важной предпосылкой для использования KR2 и его адаптации для конкретных приложений. Этот вызов пробудил интерес группы структурных биологов во главе с профессором Валентином Горделием, который возглавляет исследовательские группы в Институте сложных систем (ICS-6) в Forschungszentrum Julich, Германия, в Институте структурной биологии в Гренобле, Франция. и в Московском физико-техническом институте в России. Используя рентгеновскую кристаллографию, команда получила первые трехмерные структурные изображения с высоким разрешением отдельного белка и пятикомпонентного комплекса, который молекула KR2 самопроизвольно образует в физиологических условиях.«Структура KR2 имеет много уникальных особенностей», — говорит Иван Гущин, один из ведущих авторов исследования и постдок Гордели.
Одна из этих особенностей — короткая спираль протеина, закрывающая выходное отверстие помпы, как крышка. Особенностью KR2, которая особенно интересовала ученых, была необычная структура обращенной внутрь полости для захвата ионов, которая оказалась необычно большой и выступающей из поверхности белка. «Мы предположили, что эта структура может действовать как своего рода фильтр, вызывающий селективность KR2 по ионам натрия», — объясняет Гущин.
Чтобы проверить эту идею, команда Гордели изменила структуру, заменив определенные аминокислоты на рассматриваемом участке посредством целевых мутаций. KR2 не только действительно потерял способность перекачивать натрий; но также одна из мутаций, похоже, превратила KR2 в управляемый светом калиевый насос — первый в своем роде. Чтобы точно доказать это наблюдение, команда провела серию электрофизиологических экспериментов с очищенным белком в сотрудничестве с Эрнстом Бамбергом из Института биофизики Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, который является экспертом по мембранным белкам и одним из основоположников оптогенетики.По словам Бамберга, для потенциального оптогенетического применения этот результат особенно интересен: «В нейронах транспортировка ионов калия из клетки является естественным механизмом дезактивации.
Обычно активированный нейрон высвобождает их через пассивные калиевые каналы в мембране. -активированный, активный калиевый насос, этот процесс можно точно контролировать ». Это сделало бы KR2 очень эффективным выключателем для нейронов. Теперь необходимо разработать способы интеграции насоса в различные типы ячеек. «В сочетании с активируемым светом каналомродопсином 2, который используется в лабораториях по всему миру в качестве молекулярного выключателя, калиевый насос KR2 станет идеальной парой инструментов для точного контроля активности нервных клеток», — говорит Бамберг.