Struktur af primært optogenetisk værktøj afsløret

Et internationalt team af forskere har bestemt 3D-strukturen af ​​kanalrhodopsin 2, et membranprotein, der er meget brugt i optogenetik til at kontrollere nerveceller med lys. Optogenetik er en relativt ny teknik, der involverer brugen af ​​lys til at manipulere nerve- og muskelceller i en levende organisme. Lignende tilgange bruges til delvist at vende tabet af hørelse og syn og kontrollere muskelsammentrækninger.

Ud over, optogenetiks metoder bruges til at studere egenskaberne af naturlige neuronnetværk, som er ansvarlige for følelser, beslutningstagning, og andre komplekse processer i levende organismer. Optogenetik var Natur 'Årets metode 2010, " samt at være navngivet blandt Videnskab 's "Breakthroughs of 2010 and Insights of the Decade."

Channelrhodopsin 2, eller ChR2, er et vigtigt optogenetisk værktøj. Det er et lysfølsomt protein, der oprindeligt blev udvundet i 2003 fra en grønalge kaldet Chlamydomonas reinhardtii. Forskere kan indsætte ChR2 i membranen af ​​en levende celle for at kontrollere den. Når den er oplyst, dette protein tillader positivt ladede ioner at passere ind i cellen gennem cellemembranen. I en nervecelle, dette depolariserer membranen, efterligner virkningen af ​​en nerveimpuls og får netop denne neuron til at fyre.

Fordi ChR2 virker hurtigt og er relativt harmløs for celler, det er den nuværende løsning til nervecelleaktivering. En række kunstigt inducerede mutationer er tilgængelige for at ændre proteinets egenskaber. For eksempel, det er muligt at øge den strøm, det genererer, eller ændre bølgelængden af ​​lys, det reagerer på. Sådanne modifikationer gør det muligt for forsøgspersoner at arbejde med proteiner, der er skræddersyet til deres behov. Forskere kan endda kombinere adskillige proteinvarianter for en tydelig respons ved forskellige bølgelængder af lys.

De fleste af de mutationer, der er brugt til at modificere egenskaberne af ChR2, er indtil videre blevet introduceret mere eller mindre tilfældigt - enten via rettet evolution eller baseret på data om kendte proteinstrukturer. Det nærmeste forskere nogensinde er kommet på en realistisk ChR2-struktur er en mærkelig kombination kaldet C1C2, 70 procent af dem er baseret på ChR1, et beslægtet protein, med resten baseret på den faktiske ChR2. Denne blandede struktur kan ikke tage højde for alle proteinets egenskaber. Som resultat, mutationerne forudsagt af denne model er ikke helt realistiske og er derfor af begrænset interesse for optogenetik.

For at afsløre strukturen af ​​ChR2, forfatterne af undersøgelsen brugte en analytisk teknik kaldet røntgendiffraktion, som kun virker med prøver i form af en krystal. Disse blev opnået af forskerne via in meso krystallisation. Det vil sige, proteinkrystallerne blev dyrket i den såkaldte kubiske lipid mesofase - et medium, der tillader proteiner at bevæge sig frit uden at forlade membranen. For at bestemme proteinstrukturer, deres krystaller blev bestrålet med røntgenstråler ved en bølgelængde på omkring 1 ångstrøm, hvilket er lidt mindre end længden af ​​bindingerne mellem atomerne i proteinet. I røntgenkrystallografi, strukturer udledes ved at analysere, hvordan stråling spredes af en prøve.

"Forsøg på at løse strukturen af ​​ChR2 går helt tilbage til tidspunktet for dets opdagelse i 2003. Men på trods af indsatsen fra adskillige forskningsgrupper fra hele verden, strukturen af ​​proteinet i dets naturlige tilstand er forblevet ukendt, " siger Valentin Borshchevskiy, en af ​​forfatterne til papiret og stedfortrædende leder af Laboratory for Advanced Studies of Membrane Proteins på MIPT. "Nu hvor vi har strukturen, meningsfulde mutationer kan indføres i proteinet for at tilpasse dets egenskaber til kravene i et specifikt eksperiment. kender ikke strukturen, vi var nødt til at finde ud af de nyttige mutationer ved at prøve og fejle eller nøjes med dataene om relaterede proteiner."