Forskere afslører strukturen af ​​virale rhodopsiner

Strukturen af ​​en Organic Lake Phycodnavirus rhodopsin II (OLPVRII), som er et unikt protein, der findes i genomet af gigantiske vira, er blevet bestemt takket være MIPT -kandidaters arbejde og ph.d. studerende. Avisen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Undersøgelsen er resultatet af et samarbejde, der omfattede mange MIPT -alumner. Dmitry Bratanov var blandt dem. Dmitry, der i øjeblikket arbejder på Institute of Complex Systems (ICS-6) ved Research Center Juelich, Tyskland, siger, at selvom virale rhodopsiner først blev opdaget i de såkaldte gigantviraer for flere år siden, deres struktur, fungere, og den biologiske rolle har været uklar indtil nu.

En kæmpe virus er en meget stor virus, størrelsen på en typisk bakterie. Det er så stort, at det er synligt under et lysmikroskop. Kæmpe vira inficerer grønalger, som producerer ilt og hjælper med at opretholde den naturlige økologiske balance i verdenshavet. Derfor, gigantvira er af betydelig forskningsinteresse set fra et miljøperspektiv.

"I dette arbejde, vi dechifrerede OLPVRII's højopløselige struktur, funktionelt karakteriseret proteinet, og viste, at det danner pentamerer ikke kun i krystaller, men også i lipidmembraner, "forklarer Dmitry." Dette var ingen let opgave. Der skulle udføres mange forsøg, for nogle af dem brugte vi sofistikerede teknikker og udstyr. Det, vi har opnået, er resultatet af det hårde og omhyggelige arbejde fra den internationale gruppe af forskere. "

Denne pentameriske organisation er tidligere blevet observeret i nogle andre rhodopsiner, såsom, for eksempel, i den lysdrevne natriumpumpe KR2. Imidlertid, hvad der gør OLPVRII -strukturen ejendommelig er, at den har en usædvanlig pore i midten (se figur 1). Dens funktion er stadig ukendt.

"Vi tror, ​​at poren måske fungerer som en ionkanal, sandsynligvis for chloridioner, "siger Kirill Kovalev, medforfatter af papiret og ph.d. studerende på MIPT.

Ionkanaler er proteiner, der skaber en passiv vej for ioner til at flyde hen over cellemembranen. Disse kanaler er normalt lukket i mørket, hvilket betyder, at ioner ikke kan bevæge sig ind i eller ud af cellen. I tilfælde af lysfølsomme kanaler, de åbner som reaktion på lysabsorbering, som tillader ioner at strømme ned af koncentrationsgradienten. Med andre ord, ioner bevæger sig i den retning, der udligner koncentrationerne af ioner inden for og uden for cellen.

Et typisk eksempel på en lysfølsom kanal er channelrhodopsin 2. Den blev fundet i grønalgen Chlamydomonas reinhardtii og bruges i vid udstrækning som et optogenetisk værktøj. Hvad angår OLPVRII, forskerne mener, at dette kan være den første pentameriske lysgatede ionkanal, der nogensinde er opdaget, som foreslået af den bestemte struktur og molekylære simuleringer.

"Imidlertid, kanalaktiviteten af ​​OLPVRII mangler endnu at blive påvist, "bemærker Kirill Kovalev." Vi vil fortsætte vores forskning og vil helt sikkert finde ud af, hvorfor denne usædvanlige rhodopsin blev skabt af naturen. Måske hjælper det værten med at fortsætte sine livsvarige funktioner, når en celle er inficeret af en virus, eller måske er det en sensor. "

Det sagt, studere strukturen af ​​den virale rhodopsin kaste lidt lys over, hvordan den fungerer. Det blev vist, at OLPVRII, ligesom de fleste andre rhodopsiner, fungerer som en protonpumpe. Dette er imidlertid usandsynligt, at det vil være dens hovedfunktion, siger forskerne. Dets hovedformål mangler endnu at blive undersøgt og bevist.

"Hvis vi beviser, at dette virale rhodopsin faktisk er en ionkanal, det kan blive et godt redskab i optogenetik og biomedicinske applikationer, "siger papirforfatter Valentin Gordeliy, der leder forskningsgrupper ved Institut for Strukturbiologi i Grenoble og Research Center Juelich. Valentin er også forskningskoordinator ved MIPT's Research Center for Molecular Mechanisms of Aging and Age-Related Diseases.

Forskerne siger, at det nye værktøj vil udkonkurrere alle dets modstykker takket være fordelene ved dets pentameriske struktur:den lethed, hvormed du genetisk kan manipulere proteinets egenskaber og måske de høje strømme, der cirkulerer gennem den centrale pore.

For at have fortrinsret til at udnytte deres opfindelse, forfatterne til papiret har indgivet en patentansøgning om brug af det virale rhodopsin OLPVRII inden for optogenetik.

Optogenetik er en gren af ​​biofysik, der bruger lys til at kontrollere celler i en levende organisme. Som det allerede er blevet demonstreret, optogenetik kan anvendes til at genoprette syn og høretab, hjælpe med at kontrollere bevægelse hos neurologiske patienter, og behandle dem med Parkinsons og Alzheimers sygdom.

Ifølge Valentin Gordeliy, MIPT har alt det nødvendige udstyr til at foretage en detaljeret undersøgelse af viral rhodopsins funktioner. Gruppen vil fortsætte deres forskning i OLPVRII, som vil have stor betydning for biologien, evolutionær videnskab, optogenetik, og økologi.