Изучение возможности передачи сигналов внутри живых организмов с помощью ионов очень перспективно для развития новых направлений биологии и медицины. На этой возможности построена целая наука оптогенетика, которая исследует работу нейронов и других клеток с помощью внедрения микробных родопсинов — белков, которые под действием света могут активно или пассивно переносить ионы через мембрану. Ученые из МФТИ изучили структуру SyHR — первого известного микробного родопсина, способного прокачивать дивалентные ионы, благодаря чему стал понятен молекулярный механизм процесса.
В МФТИ пролили свет на перенос ионов живыми клетками / ©Getty images
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Перенос ионов является ключевым процессом в живых клетках. Наши клетки поддерживают свою жизнедеятельность путем поглощения в себя полезных веществ и выделения наружу бесполезных или токсичных. Среди полезных веществ есть ионы, они важны и для жизни клетки, и для ее энергетики, а для некоторых клеток, в том числе нейронов, они способствуют передаче сигнала через мембрану.
«Родопсин SyHR оказался очень интересен для науки с фундаментальной точки зрения, но не менее важно и его возможное практическое применение. Генетически модифицируя клетки, мы можем добавлять в них родопсины, и затем управлять процессами в них при помощи света. В нашей статье описан родопсин, который способен переносить анионы — отрицательно заряженные ионы.
Управление клеткой с помощью света может приблизить нас к лечению ряда болезней, которые связаны с нарушением передачи нервных сигналов и могут вызвать потерю зрения или слуха. Помимо этого, люди мечтают о прямом интерфейсе между компьютером и мозгом человека, что возможно осуществить с помощью микробных родопсинов. Обеспечив процесс передачи сигнала от светодиода в нейрон, живую клетку, мы в будущем сможем создать связь с необходимым гаджетом или восстановить нейронные связи в мозге», — рассказал об исследовании один из соавторов — Иван Гущин, руководитель лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ.
Микробные родопсины выполняют разнообразные функции, такие как активный и пассивный транспорт ионов, передача сигнала и другие. При поглощении света в родопсине запускается процесс изменений в структуре и спектре поглощения, известный как фотоцикл. Во время фотоцикла родопсин проходит несколько метастабильных промежуточных состояний. Переходы между этими состояниями приводят к структурным перестройкам белка и тем самым определяют его функцию.
Структурное исследование SyHR помогает понять, что заставляет родопсины перекачивать двухвалентные ионы. Ученые представили кристаллическую структуру SyHR в основном состоянии, структуру его сульфат-связанной формы, а также двух промежуточных состояний фотоцикла. Эти данные раскрывают молекулярные основы уникальных свойств белка, в частности исключительно сильного связывания ионов хлора, и проливают свет на механизм высвобождения и поглощения анионов.
Комментарии
Микробные родопсины, способные переносить ионы через клеточную мембрану - это хорошо.. оптогенетика - тоже хорошо.. но неплохо бы покопать в каком-то другом направлении. Потому что нейроны используют другие принципы при переносе электрических импульсов.. и до сих пор свет для этого им был не нужен.
.. возможно, нейроны способны создавать перепад температур внутри себя.. допустим, тело нейрона на несколько сотых градуса холодней прокачиваемой крови.. за счёт разницы температур происходит накопление заряда..
.. или каким-то образом накапливают заряд статического характера, используя для этого структурные особенности внутренностей нейрона, сочетая их с железом, содержащимся в крови..
.. или вот.. кровь циркулирует, движется.. возможно, с некоторым продольным вращением.. и при движении крови происходит трение с одним из элементов структуры нейрона.. при трении крови аккумулируется заряд, необходимый нейрону в данный момент.. чем меньше и короче требуется в данный момент импульс - тем быстрей нейрон завершит цикл накопления заряда с помощью трения движущейся крови.. соответственно, чем сильней необходим импульс, тем дольше длится цикл накопления заряда..
.. думается, кровь доставляется к каждому нейрону.. её участие в принципах действия этих клеток мозга должно учитываться..
Еще и количество митохондрий необходимо учитывать и стимулировать их воспроизводство