Ученые раскрыли, как антарктические бактерии поглощают свет в условиях полярной ночи
Ученые МФТИ с коллегами раскрыли детали работы комплекса светочувствительного белка, родопсина (HbR1) и каротиноидного пигмента, который действует как дополнительная антенна. Этот молекулярный тандем позволяет бактерии Hymenobacter psoromatis, найденной впервые в Антарктике, улавливать скудную солнечную энергию в экстремальных условиях. Используя методы искусственного интеллекта для предсказания структуры и мощные расчеты молекулярной динамики, ученые показали, что два ключевых компонента — ретиналь (производное витамина А) внутри белка и каротиноид снаружи — могут образовывать стабильную и тесно связанную структуру, идеально приспособленную для эффективного поглощения и передачи энергии.
Работа, опубликованная в журнале Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, поддержанная грантом Российского научного фонда, открывает перспективы для создания новых биосенсоров и оптических материалов.
Обитающие в суровых условиях полярных широт микроорганизмы, в частности бактерия Hymenobacter psoromatis, обладают уникальными генетически запрограммированными механизмами выживания, позволяющими им существовать и развиваться при низких температурах и под воздействием ультрафиолетового ионизирующего излучения.
Бактерия имеет и гены специальных светочувствительных белков — родопсинов. В отличие от зрительного родопсина животных, эти бактериальные белки работают как ионные насосы или сенсоры, преобразуя энергию света в химические сигналы или электростатический потенциал на мембране. Особенность изучаемого родопсина — его возможная связь с молекулой каротиноида (оранжево-красным пигментом). Ученые давно предполагали, что каротиноид в таких комплексах может играть две критически важные роли: служить дополнительной «антенной», расширяющей диапазон улавливаемого света, и защищать белок от повреждающего действия ультрафиолетового излучения, интенсивного в полярных регионах. Однако детали молекулярных механизмов их совместной работы до сих пор были изучены мало.
Чтобы увидеть, как именно устроен и работает этот тандем, группа исследователей МФТИ провела множество итераций специального длительного компьютерного моделирования с помощью методов молекулярной динамики. Ученые начали работу с конструирования модели структуры родопсина бактерии. Трехмерную модель белка вместе с молекулами ретиналя и зеаксантина построили с помощью новой ИИ-платформы Chai-1. Использовать знаменитый «нобелевский» алгоритм AlphaFold3 исследователям помешало то, что он поддерживает лишь ограниченное число лигандов, в которое не входит ни ретиналь, ни молекулы каротиноидов. Однако предсказанная искусственным интеллектом структура не полностью соответствовала известным принципам работы таких комплексов — пигменты оказались слишком далеко друг от друга. Тогда исследователи применили шаблонный докинг — метод компьютерного моделирования в структурной биологии, который используется для предсказания строения молекулярного комплекса на основе уже известных, похожих структур. В качестве «шаблона» был выбран родственный комплекс ксантородопсина и каротиноида. Полученная модель показала, что пигменты сближены до критически важного расстояния около 0,3 нанометра, а в структуре белка между ними сохраняется специальное «фенестрационное окно» — туннель, необходимый для переноса энергии.
Главным испытанием для модели стала длительная компьютерная симуляция — множество итераций по 1 микросекунде для молекулярно-динамического моделирования в виртуальной клеточной мембране (составленной из липидов, обнаруженных экспериментально в таких бактериях) при температуре, соответствующей антарктическому холоду (+5°C). Расчеты подтвердили, что комплекс не распадается, а сохраняет стабильную архитектуру во времени. Каротиноид прочно удерживается у поверхности белка благодаря двум постоянным водородным связям с производными аминокислот глутамина (Glu132) и треонина (Thr136). Это обеспечивает постоянную сверхмалую дистанцию (всего 0,25 нм) между ретиналем и самым близким атомом каротиноида — условие, необходимое для быстрого и эффективного переноса энергии поглощенного света. Сходимость результатов и устойчивость всей конструкции в ходе симуляции, судя по всему, свидетельствует, что ученым удалось создать адекватную модель реально существующего в природе «светособирающего устройства».
«Главное, что длительные итерации моделирования показали стабильность во времени минимального расстояния между каротиноидом и ретиналем и постоянное наличие фенестрационного окна в структуре белка между ними. Это дает основания полагать, что полученная с помощью новейших методов биоинформатики и молекулярной динамики структурная модель белка близка к реальной, — пояснил Иван Охрименко, заведующий лабораторией старения и возрастных нейродегенеративных заболеваний МФТИ. — Сейчас мы, планируя, что будет продолжена финансовая поддержка РНФ, работаем над тем, чтобы проверить наши расчеты экспериментально. Эксперимент продемонстрирует, насколько современные методы молекулярного моделирования и биоинформатики точны и могут предсказывать еще неизвестные детали структурной организации мембранных белков».
Это исследование — очередной шаг к пониманию того, как микроорганизмы выживают в экстремальных условиях, используя минимум солнечного света. Полученные данные не только расширяют фундаментальные знания о механизмах поглощения электромагнитного излучения микроорганизмами, но и имеют прикладное значение. Понимание принципов работы природных «антенн» может привести к созданию новых биосенсоров, более эффективных систем для оптогенетики или искусственных светособирающих комплексов для альтернативной энергетики.
Telegram 
Дзен 
VK Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
Формирование и эволюция звездных систем кажутся понятными и предсказуемыми, а их строение строго подчиняется законам физики. Строение «крылатых» радиогалактик выбивается из общих правил. Их необычная форма не имеет однозначного объяснения и остается предметом споров для астрофизиков.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно