Biofysikere løser den sande struktur af meget lovende optogenetisk protein KR2 rhodopsin

Et team af biofysikere fra Rusland, Tyskland, og Frankrig, med forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, har opdaget og studeret strukturen af ​​KR2 rhodopsin under fysiologiske forhold. Dette banebrydende arbejde bryder jorden for et fremtidigt gennembrud inden for optogenetik, et yderst relevant område inden for biomedicin med anvendelser inden for behandling af neurologisk sygdom og mere. Den grundlæggende opdagelse vil føre til et nyt instrument til effektiv behandling af depression, angstlidelser, epilepsi, og Parkinsons sygdom. Papiret, der rapporterede undersøgelsen, blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Optogenetik er et helt nyt område inden for biofysik og biomedicin, der undersøger teknikker til styring af nerve- og muskelceller i en levende organisme via lyssignaler. Ikke længe siden, det førende forskningstidsskrift Videnskab hyldede optogenetik som "årtiets gennembrud". Optogenetiske metoder muliggør allerede en delvis genopretning af tabt syn, høring, og muskelkontrol nedsat af en neurologisk sygdom. Vigtigere, disse teknikker gør det muligt for forskere at studere neurale netværk i detaljer. Dette refererer ikke til computernetværk, men til dem, der er indeholdt i den menneskelige hjerne og er ansvarlige for vores følelser, beslutningstagning, og andre grundlæggende processer.

For flere år siden, forskere opdagede en ny type iontransportør - KR2 rhodopsin - i cellemembranen i havbakterien Krokinobacter eikastus. Det nyligt fundne protein er følsomt over for lys, gør det nyttigt til optogenetik. Drevet af lys, sådanne proteiner kan lette translokationen af ​​ladede partikler, såsom ioner over cellemembranen. Ved at indføre sådanne transportører i cellen, forskere kan derefter bruge lysimpulser til at manipulere potentialet i neuroncellemembranen, kontrollere dens aktivitet. KR2 viste sig selektivt at transportere en bestemt slags partikler - natriumioner - uden for cellen. I stedet for at tillade passage af disse ioner i begge retninger, proteinet udfører aktiv transport, fungerer som en "pumpe". Mutante former for KR2 viste også kaliumpumpende aktivitet. Ved at implantere disse pumper i cellemembranen, hele omfanget af neuronaktivitet kunne teoretisk kontrolleres.

Forskningsbølgen, der fulgte opdagelsen af ​​den nye molekylære pumpe, stod over for nogle temmelig mystiske egenskaber ved rhodopsin. Flere forskergrupper opdagede og beskrev i alt fem forskellige strukturer af det lovende protein. Især i nogle af disse strukturer danner fem KR2 -molekyler en stabil pentamer, mens i andre kun proteinmonomeren er til stede (figur 1).

"Så det dramatiske spørgsmål var:Hvilken af ​​disse strukturer skulle betragtes som den rigtige?" sagde MIPT -doktorand Kirill Kovalev, en hovedforfatter af undersøgelsen. "Faktisk, strukturerne viste sig at være ret ens, men djævelen er i detaljerne, som bestemmer proteinets mulige anvendelser inden for videnskab og klinisk praksis. "

Anført af MIPT -biofysikere, teamet fandt, hvad der giver anledning til den forvirrende variation af proteinstrukturer. Det viste sig, at forskningsgrupperne, der studerede KR2, havde krystalliseret proteinet under forskellige betingelser. Det unikke protein er oprindeligt produceret af en havbakterie, der er hjemmehørende i et helt specielt miljø. Den lever i vand med en bestemt saltholdighed, surhed, og hydrogenionkoncentration (pH). Disse betingelser er en forudsætning for, at proteinet kan gøre, hvad forskere forventer, at det gør - det vil sige, pump natriumioner, samtidig med at der dannes pentamerer i cellemembranen. Proteinets mange "falske" strukturer viste sig enten at være krystalliseringsartefakter eller svarede kun til de betingelser, der praktisk talt deaktiverer natriumpumpeaktiviteten af ​​KR2, hvilket gør det meget attraktivt for det globale optogenetiske samfund.

"For første gang, vi har simuleret de fysiologiske betingelser for KR2 eksistens og funktion. Som resultat, vi opnåede den 'korrekte' struktur af det nye protein, hvilket svarer til dets oprindelige tilstand. Vi viste, at den funktionelle enhed af proteinet er en pentamer, "forklarede Valentin Gordeliy fra Institut for Strukturbiologi i Grenoble." Oven i det, vi fandt en forklaring på modsætningerne mellem tidligere strukturelle undersøgelser af proteinet. "

KR2 rhodopsin er revolutionerende for optogenetik, og at kende dens korrekte struktur under fysiologiske forhold er grundlæggende både for at forstå mekanismerne bag dets funktion og for at udforske nervesystemet ved at modellere nye optogenetiske værktøjer og anvende dem i den medicinske praksis.