Устройство уникального белка, родопсина OLPVRII, обнаруженного в геноме гигантских вирусов, стало известно благодаря работе выпускников и аспирантов МФТИ. Работа опубликована в Nature Communications.
Многие из участников коллаборации, опубликовавшей работу, — выпускники МФТИ. Один из них, Дмитрий Братанов, ныне работающий в Институте комплексных систем Исследовательского центра города Юлих (Германия), рассказывает, что вирусные родопсины были впервые обнаружены в так называемых гигантских вирусах несколько лет назад, однако до сих пор никому не удавалось изучить механизм функционирования этих белков, описать их структуру и выяснить функциональное предназначение.
Гигантские вирусы (Giant Viruses) — огромные вирусы размером с бактерию. Они настолько велики, что их можно наблюдать даже с помощью обычного оптического микроскопа. Гигантские вирусы инфицируют клетки водорослей, выделяющих кислород и ответственных за поддержание экологического баланса в природной среде Мирового океана. Поэтому изучение такого рода вирусов представляет огромный интерес с точки зрения вопросов экологии.
«В нашей работе удалось получить пространственную структуру OLPVRII высокого разрешения, провести функциональную характеризацию этого белка и показать, что он организован в пентамеры не только в кристалле, но и в липидной мембране, — сообщает Дмитрий Братанов. —Решение этой непростой задачи требовало многочисленных экспериментов на уникальных установках и стало результатом кропотливого труда ученых из разных стран».
Пентамерные структуры удавалось обнаружить и у некоторых других родопсинов, например, в случае светочувствительного натриевого насоса KR2. Однако структура OLPVRII отличается тем, что в центре пентамера находится уникальная пóра (см. иллюстрацию). Ее предназначение — пока загадка.
Слева: вид пентамера вирусного родопсина OLPVRII со стороны цитоплазмы. Центральная пора обозначена красным контуром. Справа: пентамер OLPVRII, вид сбоку. Профиль центральной поры показан голубой поверхностью. Серые линии обозначают положения гидрофобно/гидрофильных границ липидной мембраны. Источник: Dmitry Bratanov et al., Nature Communications
«Возможно, эта пора выполняет роль ионного канала. Скорее всего, для хлора», — считает соавтор работы, аспирант МФТИ Кирилл Ковалев.
Ионные каналы — это белки, осуществляющие пассивный транспорт ионов через клеточную мембрану. В темноте светочувствительный ионный канал закрыт и не пропускает ионы сквозь мембрану. Но под воздействием света он открывается, и ионы проходят по градиенту концентрации: с той стороны, где ионов больше, они проникают сквозь канал на другую сторону. Характерным примером подобных светочувствительных ионных каналов является канальный родопсин 2 из Chlamydomonas reinhardtii, который широко используется в оптогенетике. Уникальность же OLPVRII заключается в том, что он представляет собой, как предполагают исследователи на основании полученной структуры белка и молекулярного моделирования, первый пентамерный светочувствительный ионный канал, который удалось обнаружить.
«Однако канальную активность OLPVRII нам пока не удалось показать, — продолжает Кирилл Ковалев. —Мы продолжим исследования и обязательно разберемся, для каких задач этот необычный родопсин был создан природой. Возможно, он поддерживает жизнедеятельность организма хозяина, пока клетка инфицирована вирусом, или является светочувствительным сенсором».
Впрочем, кое-что о функциях вирусного родопсина удалось узнать уже в процессе изучения его структуры: авторы работы показали, что этот белок, подобно большинству родопсинов, создает протонные токи, но это свойство, по мнению исследователей, не является основной функцией белка. Последнюю предстоит выяснить и доказать.
«Если нам удастся доказать, что данный вирусный родопсин является ионным каналом, то он может стать прекрасным инструментом для оптогенетики и биомедицинских приложений», — считает один из авторов работы Валентин Горделий, руководитель научных групп в Институте структурной биологии в Гренобле и в Исследовательском центре Юлиха и научный координатор Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в МФТИ. Ученые считают, что этот инструмент сможет превзойти все существующие аналоги за счет преимуществ его пентамерной структуры — легкости генетического манипулирования свойствами белка и, предположительно, высоких токов через широкую центральную пору.
Авторы работы закрепили за собой приоритет на оптогенетическое применение вирусного родопсина OLPVRII, подав патентную заявку на соответствующее изобретение.
Оптогенетика — раздел биофизики, изучающий возможность управления клетками живого организма при помощи направленного светового излучения. Уже продемонстрировано, что с помощью оптогенетики можно восстанавливать потерянные зрение и слух, управлять мышцами при потере контроля над ними в результате неврологических заболеваний, бороться с болезнями Альцгеймера и Паркинсона.
По словам Валентина Горделия, МФТИ располагает всем оборудованием, необходимым для подробного изучения функций вирусного родопсина. Научный коллектив продолжает исследования белка OLPVRII, имеющие серьезное значение для биологии, эволюционной науки, оптогенетики и экологии.
