Oamenii de știință din Jülich, Grenoble, Frankfurt și Moscova au descoperit structura atomică a KR2, un transportor cu lumină pentru ioni de sodiu care fusese descoperit abia recent. Pe baza informațiilor structurale, echipa a identificat apoi o modalitate simplă de a transforma KR2 dintr-o pompă de sodiu într-o pompă de potasiu folosind mijloace simple. Integrat în neuroni, acest lucru ar putea face din KR2 un instrument valoros pentru optogenetică, un nou domeniu de cercetare care folosește proteine ​​sensibile la lumină ca întrerupătoare moleculare pentru a controla cu precizie activitatea neuronilor și a altor celule excitabile electric folosind impulsuri luminoase. Constatarile au fost publicate in revista Nature Structural and Molecular Biology.

pentru

În 2013, oamenii de știință au făcut o descoperire neașteptată în timpul investigării bacteriei marine Krokinobacter eikastus. În membrana sa celulară, bacteria avea un tip de transportor de ioni necunoscut anterior. Proteina, care a fost numită KR2, aparține unui grup de proteine ​​sensibile la lumină care au devenit baza domeniului de cercetare al optogeneticii. Atunci când sunt expuse la lumină, aceste proteine ​​permit particulelor încărcate să curgă în celulă sau să le transporte în afara celulei. Integrarea acestor transportori de ioni în membrana neuronală face posibilă modificarea stării lor de încărcare folosind impulsuri de lumină, permițând astfel controlul precis al activității lor. Această metodă a devenit rapid stabilită în special în neuroștiințe. Cu toate acestea, doar câteva proteine ​​sunt disponibile în prezent pentru acest lucru și fiecare dintre aceste proteine ​​a fost permeabilă numai anumitor ioni.

KR2 transportă ioni de sodiu încărcați pozitiv din celulă, o caracteristică care până acum lipsise în setul de instrumente de optogenetică. Cu toate acestea, până acum nici structura atomică exactă, nici mecanismul de transport al ionilor nu erau cunoscute - ceea ce este o condiție prealabilă importantă pentru utilizarea KR2 și adaptarea acestuia pentru aplicații specifice. Această provocare a trezit interesul unei echipe de biologi structurali condusă de prof. Univ. Valentin Gordeliy, care conduce grupuri de cercetare la Institutul de sisteme complexe (ICS-6) la Forschungszentrum Jülich, Germania, la Institutul de biologie structurală din Grenoble, Franța, și la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova din Rusia. Folosind cristalografia cu raze X, echipa a obținut primele imagini structurale 3D de înaltă rezoluție ale proteinei unice și ale complexului format din cinci părți pe care molecula KR2 le formează spontan în condiții fiziologice.

„Structura KR2 are multe caracteristici unice”, spune Ivan Gushchin, unul dintre autorii principali ai studiului și un postdoctoriu al Gordeliy. Una dintre aceste caracteristici este o helix scurt de proteină care acoperă deschiderea exterioară a pompei ca un capac. O caracteristică a KR2, de care oamenii de știință au fost deosebit de interesați, a fost structura neobișnuită a cavității de captare a ionilor orientată spre interior, care sa dovedit a fi neobișnuit de mare și ieșind din suprafața proteinei. "Am emis ipoteza că această structură ar putea acționa ca un fel de filtru care determină selectivitatea KR2 pentru ioni de sodiu", explică Gushchin.

Pentru a pune această idee la încercare, echipa lui Gordeli a schimbat structura prin schimbarea aminoacizilor specifici la locul în cauză prin mutații vizate. Nu numai că KR2 și-a pierdut într-adevăr capacitatea de pompare a sodiului; dar și una dintre mutații părea să transforme KR2 într-o pompă de potasiu acționată de lumină - prima de acest gen. Pentru a demonstra cu exactitate această observație, echipa a efectuat o serie de experimente electrofiziologice cu proteina purificată în colaborare cu Ernst Bamberg la Institutul Max Planck de Biofizică din Frankfurt pe Main, care este expert în proteine ​​de membrană și unul dintre fondatorii optogeneticii.

Pentru o potențială aplicare optogenetică, acest rezultat este deosebit de interesant, spune Bamberg: „În neuroni, transportul ionilor de potasiu din celulă este mecanismul natural al dezactivării. În mod normal, un neuron activ îi va elibera prin canalele pasive de potasiu din membrană. Cu o lumină -pompa activă, activă de potasiu, acest proces ar putea fi controlat cu precizie. " Acest lucru ar face KR2 un întrerupător foarte eficient pentru neuroni. Acum, trebuie dezvoltate modalități de integrare a pompei în diferite tipuri de celule. „În combinație cu Channelrhodopsin 2 activat prin lumină, care este utilizat în laboratoare din întreaga lume ca întrerupător molecular, pompa de potasiu KR2 ar forma apoi o pereche perfectă de instrumente pentru controlul precis al activității celulelor nervoase”, spune Bamberg.