Исследователи из Московского физико-технического института вместе с коллегами из Юлихского исследовательского центра, Института биофизики Общества Макса Планка и других европейских научных центров расшифровали пространственную структуру белка под названием канальный родопсин 2, или ChR2. Этот фоточувствительный белок, который выделили в начале 2000-х годов из зеленых водорослей, и с тех пор самые разные лаборатории по всему миру пытались понять, как он устроен. Бурный интерес к ChR2 объясняется просто – его, вместе с родственным ChR1, активно используют в оптогенетике.
Оптогенетика – метод, или, точнее, комплекс методов, позволяющих управлять активностью нейронов и нейронных сетей прямо в живом мозге. Для начала в нужные нейроны с помощью генной инженерии вводят ген канального родопсина – клетка его синтезирует и встраивает в мембрану.
Канальный родопсин работает ионным каналом – поймав световой луч, он пропускает через мембрану определенные ионы, так что в результате на мембране меняется электрический потенциал. Своим «естественным хозяевам», зеленым водорослям, родопсин помогает искать более освещенные места; пересаженный в нейрон, он заставляет его генерировать электрохимический импульс. Чтобы включить группу нейронов с канальным родопсином, нейробиологи подводят к ним специальные световоды.
Канальный родопсин открыл перед исследователями огромные перспективы. С ним стало возможным напрямую изучать функции разных групп нейронов: световоды активируют нейроны в мозге крысы, и мы смотрим, как меняется поведение животного. (В 2010 году журнал Nature назвал оптогенетику методом года, а журнал Science в том же году назвал ее прорывом десятилетия.) При этом сам ChR2, конечно, изменяли, пытаясь оптимизировать его структуру для выполнения тех или иных экспериментальных задач. В белок вносили разные мутации, после которых он начинал реагировать на другую длину световой волны, или же, например, изменялась сила генерируемого тока, скорость работы самого белка и т. д.
Однако раньше большинство мутаций делались отчасти вслепую. Конечно, аминокислотная последовательность белка была известна, однако кроме нее, нужно знать и еще трехмерный «портрет» белка – то, как аминокислотная цепочка сворачивается в пространстве под действием физико-химических сил. Этого про ChR2 никто не знал, и большинство модификаций приходилось выполнять методом направленной эволюции, трудоёмким перебором разных вариантов или же ориентируясь на структуру родственных белков. Чтобы понять устройство ChR2, из него даже сделали молекулярную химеру – белок C1C2, в котором примерно 70% от родственного белка ChR1 и 30% от ChR2. Структуру C1C2 можно было изучить в деталях, однако все свойства самого ChR2 на такой структуре объяснить было нельзя.
Теперь же структура ChR2 есть – ее опубликовали в Science Олександр Волков, Кирилл Ковалев, Виталий Половинкин, Валентин Борщевский и их коллеги. Обычно белковые структуры расшифровывают с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот метод основан на изучении дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Кристаллы белка просвечиваются рентгеновским излучением с длиной волны порядка 1 ангстрема, что чуть меньше длины межатомной связи в белке. Затем по данным о рассеянии рентгеновских лучей восстанавливается структура белка.
Для использования метода необходимо сначала получить кристалл, в узлах которого сидят молекулы изучаемого белка, но с мембранными белками – к каковым относится и канальный родопсин 2 – возникают проблемы, так как их сложно закристаллизовать. С ChR2 это все же удалось сделать: для его кристаллизации использовали особую среду, позволяющую молекулам белка свободно перемещаться в пространстве и формировать кристаллы, не выходя из мембраны.
«Получением структуры, безусловно, занималось много разных групп по всему миру с самого открытия ChR2 в 2003 году, однако без особых успехов — до сих пор структуры белка в его естественном виде известно не было. Наличие структуры позволит оптогенетике делать осмысленные мутации в белке, подстраивая его под конкретные эксперименты, – отметил Валентин Борщевский, заместитель заведующего лабораторией перспективных исследований мембранных белков МФТИ. – Раньше это было невозможно и большинство мутаций делались трудоёмким перебором или на основании структур родственных белков». Теперь биологам будет проще создавать нужные варианты ChR2, тем самым совершенствуя метод оптогенетики.
