В 2013 ученые сделали неожиданное открытие, исследуя морскую бактерию Krokinobacter eikastus. В ее клеточной мембране у бактерии был ранее неизвестный тип транспортера иона. Белок, который был назван KR2, принадлежит группе светочувствительных белков, которые стали основанием области исследования оптогенетики. Когда выставлено, чтобы осветить, эти белки позволяют заряженным частицам течь в клетку или транспортировать их вне клетки.
Интеграция этих транспортеров иона в нейронную мембрану позволяет изменить их состояние заряда, используя легкие импульсы, таким образом позволяя их деятельности точно управляться. Этот метод быстро стал установленным в нейронауках, в частности. Однако только несколько белков в настоящее время доступны для этого, и каждый из этих белков был только водопроницаемым к определенным ионам.
KR2 транспортирует положительно заряженные ионы натрия из клетки, которая является особенностью, которая до сих пор отсутствовала в наборе инструментов оптогенетики. Однако до сих пор ни точное строение атома, ни механизм транспорта ионов не были известны – который является важной предпосылкой для использования KR2 и адаптации его для определенных заявлений.
Эта проблема пробудила интерес команды структурных биологов, возглавляемых профессором Валентином Горделием, который возглавляет исследовательские группы в Институте Сложных Систем (ICS-6) в Юлихе Forschungszentrum, Германия, в Institute de Biologie Structurale в Гренобле, Франция, и в Московском Институте Физики и Технологии в России. Используя кристаллографию рентгена, команда получила первые 3D структурные изображения с высоким разрешением единственного белка и комплекса с пятью частями, который молекула KR2 спонтанно формирует при физиологических условиях.
«У структуры KR2 есть много характерных особенностей», говорят Иван Гущин, один из ведущих авторов исследования и postdoc Gordeliy. Одна из этих особенностей – короткая спираль белка, увенчивающая открытие смущения насоса как крышка.
Особенностью KR2, что ученые особенно интересовались, была необычная структура внутренней впадины внедрения иона столкновения, которая, как находили, была необычно большой и выдающейся от поверхности белка. «Мы выдвинули гипотезу, что эта структура могла действовать как своего рода фильтр, вызывающий селективность KR2 для ионов натрия», объясняет Гущин.Проверять эту идею, Gordeliy´ s команда изменил структуру, обменяв определенные аминокислоты на рассматриваемом месте посредством целенаправленных мутаций.
Мало того, что KR2 действительно терял свою качающую натрий способность; но также и одна из мутаций, казалось, превратила KR2 в управляемый светом насос калия – первое в своем роде. Чтобы точно доказать это наблюдение, команда выполнила ряд электрофизиологических экспериментов с очищенным белком в сотрудничестве с Эрнстом Бамбергом в Институте Макса Планка Биофизики во Франкфурте-на-Майне, который является экспертом по мембранным белкам и одному из основателей оптогенетики.Для потенциала optogenetic применение, этот результат особенно интересен, заявляет Бамберг: «В нейронах транспортировка ионов калия от клетки является естественным механизмом дезактивации. Обычно, активированный нейрон освободит их через пассивные каналы калия в мембране.
С активированным светом, активным насосом калия можно было точно управлять этим процессом». Это сделало бы KR2 очень эффективным вне выключателя для нейронов.
Теперь, способы интегрировать насос в различные типы клеток должны быть развиты. «В сочетании с активированным светом Channelrhodopsin 2, который используется в лабораториях во всем мире как молекулярный вне выключателя, насос калия KR2 тогда сформировал бы идеальную пару инструментов для точного контроля деятельности нервной клетки», заявляет Бамберг.