Учёные изучили белок, который станет новым инструментом в оптогенетике и может быть использован для управления мышечными и нервными клетками. Работа по исследованию светочувствительного белка NsXeR из класса ксенородопсинов опубликована в журнале Science Advances международным коллективом учёных из МФТИ, Института структурной биологии, Института биофизики им. Макса Планка и исследовательского центра Юлих.
Оптогенетика — современная методика, которая позволяет при помощи света управлять нервными или мышечными клетками в живом организме. Наиболее широко она используется в исследованиях нервной системы: её точность настолько высока, что позволяет контролировать отдельно взятые нервные клетки, «включая» или «выключая» определённые пути передачи информации. Кроме того, схожие методы используются для того, чтобы частично восстанавливать потерянное зрение и слух или управлять сокращением мышц.
Основные «инструменты» оптогенетики — светочувствительные белки, которые искусственно встраивают в нужные клетки. После встраивания белок работает на поверхности клетки и под действием света переносит ионы через клеточную мембрану. Если встроить такой белок в нейрон, то правильно подобранный световой импульс может запустить нервный сигнал или, наоборот, заглушить все сигналы — в зависимости от того, какой белок используется. Запуская сигналы от отдельных нейронов, можно имитировать работу определённых зон мозга, изменяя поведение организма. Если же встраивать такие белки в мышечные клетки, то можно внешним сигналом напрягать или расслаблять их.
Авторы работы, опубликованной в Science Advances, описали новый инструмент для оптогенетики — белок NsXeR из класса ксенородопсинов. Он способен активировать отдельные нейроны, заставляя их посылать заданные сигналы в нервную систему под действием света. Помимо применений в исследованиях нервной системы, ксенородопсины могут занять нишу управления мышечными клетками. Для активации этих клеток желательно исключить транспорт ионов кальция, т.к. мышечные клетки особенно чувствительны к изменению его концентрации. Если использовать белки, не избирательно переносящие разные положительные ионы (и в том числе кальций), будут появляться нежелательные побочные эффекты.
Открытый белок позволяет обойти проблему с неконтролируемым переносом кальция: он отличается своей избирательностью и при работе он закачивает внутрь клетки только протоны. Этим он выгодно отличается от прямого конкурента канального родопсина, который сейчас широко используется в исследованиях: тот при работе переносит любые положительные ионы. Кроме того, ксенородопсин работает как надёжный «насос», прокачивая протоны вне зависимости от их концентрации по обе стороны мембраны, а канальный родопсин лишь «открывается» под действием света, позволяя ионам идти по направлению от большей концентрации к меньшей. В обоих случаях поток положительных зарядов внутрь электровозбудимой клетки уменьшает напряжение между внешней и внутренней поверхностью мембраны. Такая деполяризация мембраны и запускает нервный или мышечный импульс. Возможность запускать такой импульс, перекачивая только протоны, уменьшит потенциальные побочные эффекты при исследованиях.
«В данный момент у нас в руках находится вся ключевая информация о механизме работы белка. На этом мы основываем дальнейшие исследования по оптимизации и подстройке параметров белка под нужды оптогенетики», — заявляет Виталий Шевченко, первый автор работы и сотрудник лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение