Зеркальные протеородопсины

Протеородопсины (Proteorhodopsins, PR(2) — это управляемые светом белки бактерий, молекулярные протонные насосы. Роль таких белков в экологии планеты трудно переоценить, т.к. они позволяют усваивать энергию солнечного света(3) и воспринимать свет для регуляции жизнедеятельности(4, 5) бесчисленному множеству микроорганизмов обитающих в океане, в пресных водах и в почве. До настоящего времени не было известно бактериальных родопсинов, перекачивающих протоны при низких значениях рН, несмотря на то, что многие бактерии живут в кислых средах. Существование таких белков являлось интригующей загадкой. Именно такие концептуально новые бактериальные родопсины, работающие как протонные насосы при кислых значениях рН, и были открыты учёными из МФТИ, МГУ им. М. В. Ломоносова и Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова. Научный руководитель и вдохновитель исследований дал им название — «зеркальные протеородопсины» (mirror proteorhodopsins, mPR), что указывает на осуществление биологической функции при низких значениях рН (ниже 6,5), в отличие от всех ранее известных и хорошо описанных протеородопсинов, которые перемещают протоны через липидный бислой при нейтральном и щелочном значениях рН. Результаты комплексного структурно-функционального исследования были опубликованы в журнале Communications Chemistry (Nature Publishing Group).

Иван Охрименко, заведующий лабораторией старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ, рассказал подробнее об этой работе:

Структурное исследование представителя «зеркальных протеородопсинов» — родопсина из Sphingomonas paucimobilis (SpaR) — показало архитектурную организацию полостей и ворот (узких мест) на пути светозависимого перемещения протонов внутри белка, скорее напоминающую канальные родопсины (ChR)(6), чем известные протонные насосы, похожие на бактериородопсин (BR)(7). Другое уникальное свойство зеркальных протеородопсинов заключается в том, что перекачка протонов ингибируется двухвалентным катионом — Zn²⁺. Мы показали, в SpaR есть по крайней мере два предполагаемых сайта связывания цинка, образованных пространственно сближенными аминокислотными остатками гистидинов.

Цинк является микроэлементом, необходимым для роста растений. Растения усваивают цинк в виде двухвалентного катиона Zn²⁺, но лишь незначительная часть общего количества цинка присутствует в почвенном покрове в растворимой форме. В основном цинк находится в виде нерастворимых комплексов и минералов (8). Многие виды Sphingomonas, Pantoea и Pseudomonas известны как восстановители цинка и устойчивы к его высоким концентрациям. Показано, что и Pantoea diversa, содержащая ген родопсина, сходного с SpaR, и Pantonea ananatis с PaR солюбилизируют цинк, что способствует росту растений (9). Некоторые типы ризобактерий, стимулирующих рост растений (PGPR)(10), увеличивают поглощение тяжелых металлов растениями за счет их солюбилизации. В частности, Pseudomonas putida и Pantoea ananatis способны солюбилизировать цинк(11). Низкие значения рН необходимы для солюбилизации ионов двухвалентных металлов бактериями, а в почвах с низким рН их растворимость увеличивается(12). Таким образом, в нашей публикации мы сделали предположение, что зеркальные протеородопсины в бактериях, стимулирующих рост растений (PGPB)(13), могут участвовать в стимулировании опосредованного цинком роста. Действительно, mPR перекачивают протоны во внеклеточную среду, и дополнительное подкисление может способствовать химическим реакциям солюбилизации цинка (например, ZnO + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂O), способствующим росту растений.

Известно, что цинк вовлечён во взаимодействие патогенных бактерий и организма человека(14). Цинк важен для роста патогенных микроорганизмов и для образования ими биопленки. Образование биопленки способствует выживанию бактерий в агрессивной среде, и было обнаружено, что снижение концентрации цинка за счет хелатирования металлов специфически предотвращает образование биопленок у некоторых бактерий(15).

Проведённый биоинформатический анализ показал, что SpaR-подобные зеркальные родопсины имеются у грамотрицательных бактерий и бактерий, принадлежащих к родам Sphingomonas (SpaR⁵), Patonea (PaR(16), Pseudomonas (PspR(17) и Mmethylobacterium(18). Многие виды Patonea и Pseudomonas как и Sphingomonas известны как условно-патогенные микроорганизмы, вызывающие внутрибольничные инфекции. Во многих случаях, когда известен хозяин зеркального протеородопсина, анализ опубликованных данных показал, что бактерии-хозяева являются патогенными. Некоторые виды Sphingomonas, особенно S. paucimobilis, обнаруживаются в медицинском оборудовании и в различных типах клинических образцов(19).

Цинк является неотъемлемой частью иммунной системы млекопитающих, в частности, он задействован в молекулярных механизмах борьбы с бактериальными инфекциями(20). Цинк влияет на множество аспектов иммунитета – как врожденного, так и адаптивного(21). Дефицит цинка приводит к сдвигу баланса иммунных клеток при старении(22, 23), при том, что цинк играет решающую роль и в других аспектах деятельности иммунной системы. Цинк является основным элементом, необходимым для функционирования всех клеток, он является вторым по распространенности (после железа) двухвалентным металлом в организме человека. Поскольку дефицит цинка характерен для пожилых людей, это может быть связано с возрастным увеличением госпитальных инфекций(24), особенно вызванных микроорганизмами-хозяевами SpaR-подобных родопсинов(14).  Таким образом, становится возможным разработать принципиально новые методы борьбы с патогенными бактериями, обладая знанием о том, как работают их цинк-зависимые протеородопсины.

Выявление биологической роли зеркальных протеородопсинов требует дальнейших комплексных исследований представителей клады in vitro и in vivo, их роли в микроорганизмах и в их взаимодействии с окружающей средой и человеком. Исследования перспективны с практической точки зрения тем, что бактерии-обладатели зеркальных протеородопсинов представляют большой интерес для микробиологии, биотехнологии и медицины.

Работа Ивана Охрименко поддержана Российским научным фондом, грант 23-14-00160.

1. Okhrimenko I. S. et al. Mirror proteorhodopsins //Communications Chemistry. – 2023. – Т. 6. – №. 1. – С. 88. https://doi.org/10.1038/s42004-023-00884-8
2. Béja O. et al. Bacterial rhodopsin: evidence for a new type of phototrophy in the sea //Science. – 2000. – Т. 289. – №. 5486. – С. 1902-1906. https://doi.org/10.1126/science.289.5486.1902
3. Pinhassi J. et al. Marine bacterial and archaeal ion-pumping rhodopsins: genetic diversity, physiology, and ecology //Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2016. – Т. 80. – №. 4. – С. 929-954. https://doi.org/10.1128/mmbr.00003-16
4. Yoshizawa S. et al. Light-driven Proton Pumps as a Potential Regulator for Carbon Fixation in Marine Diatoms //Microbes and Environments. – 2023. – Т. 38. – №. 2. – С. ME23015. https://doi.org/10.1264/jsme2.ME23015
5. Andrew S. M. et al. Widespread use of proton-pumping rhodopsin in Antarctic phytoplankton //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2023. – Т. 120. – №. 39. – С. e2307638120 https://doi.org/10.1073/pnas.2307638120
6. Volkov O. et al. Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2 //Science. – 2017. – Т. 358. – №. 6366. – С. eaan8862. https://doi.org/10.1126/science.aan8862
7. Borshchevskiy V. et al. True-atomic-resolution insights into the structure and functional role of linear chains and low-barrier hydrogen bonds in proteins //Nature Structural & Molecular Biology. – 2022. – Т. 29. – №. 5. – С. 440-450. https://doi.org/10.1038/s41594-022-00762-2
8. Singh, J. S. & Seneviratne, G. Agro-Environmental Sustainability. Agro-Environmental Sustainability 1 (Springer International Publishing). https://doi.org/10.1007/978-3-319-49724-2
9. da Silva, J. F. et al. Isolation of Pantoea ananatis from sugarcane and characterization of its potential for plant growth promotion. Genet. Mol. Res. 14, 15301–15311 (2015).
10. Lugtenberg B., Kamilova F. Plant-growth-promoting rhizobacteria //Annual review of microbiology. – 2009. – Т. 63. – С. 541-556. https://doi.org/10.1146/annurev.micro.62.081307.162918
11. Nagata S. et al. Root endophytes enhance stress‐tolerance of Cicuta virosa L. growing in a mining pond of eastern J apan //Plant species biology. – 2015. – Т. 30. – №. 2. – С. 116-125. https://doi.org/10.1111/1442-1984.12039
12. Thies, J. & Grossman, J. The Soil Habitat and Soil Ecology. in 59–78 https://doi.org/10.1201/9781420017113.ch5
13. Glick B. R. et al. Plant growth-promoting bacteria: mechanisms and applications //Scientifica. – 2012. – Т. 2012. https://doi.org/10.6064%2F2012%2F963401
14. Xia P. et al. Zinc is an important inter-kingdom signal between the host and microbe //Veterinary Research. – 2021. – Т. 52. – С. 1-14. https://doi.org/10.1186/s13567-021-00913-1
15. Suryawati, B. Zinc homeostasis mechanism and its role in bacterial virulence capacity. In 070021 https://doi.org/10.1063/1.5062819
16. Suzuki K. et al. Structural characterization of proton-pumping rhodopsin lacking a cytoplasmic proton donor residue by X-ray crystallography //Journal of Biological Chemistry. – 2022. – Т. 298. – №. 3. https://doi.org/10.1016/j.jbc.2022.101722
17. Harris A. et al. A new group of eubacterial light-driven retinal-binding proton pumps with an unusual cytoplasmic proton donor //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics. – 2015. – Т. 1847. – №. 12. – С. 1518-1529. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.08.003
18. Kunito T. et al. Zinc resistance of Methylobacterium species //Bioscience, biotechnology, and biochemistry. – 1997. – Т. 61. – №. 4. – С. 729-731. https://doi.org/10.1271/bbb.61.729
19. Ryan M. P., Adley C. C. Sphingomonas paucimobilis: a persistent Gram-negative nosocomial infectious organism //Journal of Hospital Infection. – 2010. – Т. 75. – №. 3. – С. 153-157. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2010.03.007
20. Rink L. Zinc and the immune system //Proceedings of the Nutrition Society. – 2000. – Т. 59. – №. 4. – С. 541-552. https://doi.org/10.1017/S0029665100000781
21. John E. et al. Zinc in innate and adaptive tumor immunity //Journal of translational medicine. – 2010. – Т. 8. – №. 1. – С. 1-16. https://doi.org/10.1186/1479-5876-8-118
22. Haase H., Rink L. The immune system and the impact of zinc during aging //Immunity & Ageing. – 2009. – Т. 6. – №. 1. – С. 1-17. https://doi.org/10.1186/1742-4933-6-9
23. Gavazzi G., Krause K. H. Ageing and infection //The Lancet infectious diseases. – 2002. – Т. 2. – №. 11. – С. 659-666. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(02)00437-1
24. Emori T. G. et al. Nosocomial infections in elderly patients in the United States, 1986–1990 //The American journal of medicine. – 1991. – Т. 91. – №. 3. – С. S289-S293. https://doi.org/10.1016/0002-9343(91)90384-A