Коллаборация ученых из Московского физико-технического института (МФТИ), Института структурной биологии Гренобльского университета и Европейского ускорительного комплекса в Гренобле (Франция), Юлихского исследовательского центра, Аахенского университета и Института Макса Планка (Германия) впервые в мире раскрыла и изучила структуру белка-родопсина KR2 в физиологических условиях. Эта пионерская работа сулит новый прорыв в одной из самых актуальных биомедицинских дисциплин — оптогенетике — и таких ее практических применениях, как лечение широко распространенных неврологических заболеваний. Клиническая депрессия, повышенная тревожность, эпилепсия, болезнь Паркинсона — все эти патологии получат новый инструмент эффективной терапии благодаря фундаментальному открытию международной группы исследователей, в которой ведущую роль сыграла команда биофизиков МФТИ. Работа ученых опубликована в одном из самых престижных научных журналов — Science Advances, издании Американской ассоциации содействия развитию науки.

Оптогенетика — новейшая биофизическая и биомедицинская дисциплина, изучающая возможности и практики управления нервными и мышечными клетками живого организма при помощи направленного воздействия световым излучением. Недавно ведущий мировой научный журнал Science даже объявил оптогенетику «прорывом десятилетия». Методы оптогенетики уже сегодня позволяют частично восстанавливать потерянные зрение и слух, управлять сокращением мышц при потере контроля над ними в результате неврологических заболеваний. Но главное — эти методы дают возможность глубокого изучения нейронных сетей (не компьютерных — живых), которые отвечают за наши эмоции, принятие решений и другие фундаментальные процессы в живых организмах.

Несколько лет назад в клеточной мембране морской бактерии Krokinobacter eikastus был обнаружен новый, ранее неизвестный тип транспортера ионов — белок-родопсин, получивший название KR2. Он принадлежит к группе светочувствительных белков, которые как раз и использует оптогенетика. Под воздействием света подобные белки позволяют заряженным частицам — ионам — проникать в клетку или выходить из нее. Внедрив такие транспортеры ионов в нейронную мембрану, ученые получают возможность при помощи направленных световых импульсов влиять на потенциал клеточной мембраны нейронов, контролируя их активность. KR2 оказался способным целенаправленно выводить из клетки конкретный вид ионов — ионы натрия. Он «выкачивает» их из клетки, а не пропускает в обе стороны, поэтому для обозначения такого активного действия ученые используют английский глагол pump. Соответственно, KR2 именуют «насосом». К тому же, его мутантные формы способны качать сквозь клеточную мембрану ионы не только натрия, но и калия. Встраивание KR2 в клеточную мембрану нейронов теоретически могло бы обеспечить возможность полного контроля за активностью нервных клеток.

Но волна исследований, порожденная открытием нового «насоса», столкнулась и с некоторыми весьма загадочными свойствами родопсина. В частности, оказалось, что несколько групп исследователей в ходе своей работы обнаружили и описали в общей сложности целых пять отличающихся друг от друга структур многообещающего белка. Примечательно, что в части этих структур пять молекул белка были организованы в устойчивый пентамер, в то время как в оставшихся присутствовали только мономеры белка.

«И встал драматический вопрос: а какую же из этих структур считать правильной? — рассказывает один из основных авторов работы, аспирант МФТИ Кирилл Ковалев. — Вообще говоря, все найденные структуры оказались довольно схожими, но ведь дьявол в деталях: именно от них зависят возможности применения вновь открытого объекта в научной и клинической практике».

И вот в результате работы группы ученых во главе с физтехами выяснилось происхождение пугающего многообразия структур нового белка. Оно оказалась порождено тем, что разные группы исследователей изучали KR2 в не полностью одинаковых условиях. Между тем, обладающий уникальными свойствами белок синтезируется организмом бактерии, обитающей в океане при очень специальных параметрах окружающей среды: ее окружает водная толща со строго определенной концентрацией соли, кислотностью, водородным показателем pH. Именно и только при этих условиях белок делает то, чего от него ждут ученые, — качает ионы натрия, формируя при этом пентамеры в мембране клеток. Разнообразные «ложные» структуры белка были, оказывается, либо артефактами кристаллизации, либо обнаружены и изучены в таких условиях, когда KR2 практически не несет в себе тех свойств, за которые на него возлагает огромные надежды всемирное сообщество оптогенетиков.

«Мы впервые смоделировали так называемые физиологические условия существования и работы KR2 и в результате описали „правильную“ структуру нового белка, которая возникает при надлежащих свойствах окружающей среды. Мы показали, что функциональной единицей белка является именно пентамер, — поясняет Валентин Горделий, руководитель Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний в МФТИ и в Институте структурной биологии в Гренобле. — Заодно удалось объяснить, из-за чего возникли серьезные погрешности в прежних многочисленных исследованиях структуры объекта».

Специалисты считают, что знание подлинной структуры революционного для оптогенетики родопсина KR2 в физиологических условиях не только является фундаментальным для понимания механизма работы белка, но и открывает множество новых грандиозных возможностей для изучения работы нервной системы живых организмов, моделирования новых инструментов оптогенетики и их применения в медицинской практике.