Een team van biofysici uit Rusland, Duitsland, en Frankrijk, met onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology, heeft onder fysiologische omstandigheden de structuur van het KR2 rodopsine ontdekt en bestudeerd. Dit baanbrekende werk is baanbrekend voor een toekomstige doorbraak in optogenetica, een zeer relevant gebied van de biogeneeskunde met toepassingen in de behandeling van neurologische aandoeningen en meer. De fundamentele ontdekking zal leiden tot een nieuw instrument voor een efficiënte therapie van depressie, Angst stoornissen, epilepsie, en de ziekte van Parkinson. De paper die de studie rapporteert, is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Optogenetica is een geheel nieuw gebied van biofysica en biomedische onderzoekstechnieken voor het aansturen van zenuw- en spiercellen in een levend organisme via lichtsignalen. Niet lang geleden, het toonaangevende onderzoekstijdschrift Wetenschap bejubelde optogenetica als de 'doorbraak van het decennium'. Optogenetische methoden maken al een gedeeltelijk herstel van verloren gezichtsvermogen mogelijk, horen, en spiercontrole aangetast door een neurologische ziekte. belangrijk, met deze technieken kunnen onderzoekers neurale netwerken in detail bestuderen. Dit verwijst niet naar computernetwerken, maar naar de netwerken die zich in het menselijk brein bevinden en verantwoordelijk zijn voor onze emoties, besluitvorming, en andere fundamentele processen.

Een aantal jaar geleden, onderzoekers ontdekten een nieuw type ionentransporteur - de KR2 rodopsine - in het celmembraan van de mariene bacterie Krokinobacter eikastus. Het nieuw gevonden eiwit is gevoelig voor licht, waardoor het bruikbaar is voor optogenetica. Gedreven door licht, dergelijke eiwitten kunnen de translocatie van geladen deeltjes zoals ionen door het celmembraan vergemakkelijken. Door dergelijke transporters in de cel te introduceren, onderzoekers kunnen dan lichtpulsen gebruiken om het potentieel van het neuroncelmembraan te manipuleren, het beheersen van zijn activiteit. KR2 bleek selectief een bepaald soort deeltjes - natriumionen - buiten de cel te transporteren. In plaats van de doorgang van deze ionen in beide richtingen toe te staan, het eiwit voert actief transport uit, dienst doen als een "pomp". Mutante vormen van KR2 vertoonden ook kaliumpompende activiteit. Door deze pompen in het celmembraan te implanteren, de hele reikwijdte van neuronactiviteit zou theoretisch kunnen worden gecontroleerd.

De golf van onderzoek die volgde op de ontdekking van de nieuwe moleculaire pomp had te maken met een aantal behoorlijk mysterieuze eigenschappen van rodopsine. Verschillende onderzoeksgroepen ontdekten en beschreven in totaal vijf verschillende structuren van het veelbelovende eiwit. Opmerkelijk, in sommige van deze structuren vormen vijf KR2-moleculen een stabiel pentameer, terwijl in andere alleen het eiwitmonomeer aanwezig is (figuur 1).

"Dus de dramatische vraag was:welke van deze structuren moet als de juiste worden beschouwd?" zei MIPT-promovendus Kirill Kovalev, een hoofdauteur van de studie. "In feite, de structuren bleken behoorlijk op elkaar te lijken, maar de duivel zit in de details, die de mogelijke toepassingen van het eiwit in de wetenschap en de klinische praktijk bepalen."

Onder leiding van MIPT-biofysici, het team ontdekte wat aanleiding geeft tot de verwarrende verscheidenheid aan eiwitstructuren. Het bleek dat de onderzoeksgroepen die KR2 bestudeerden het eiwit onder verschillende omstandigheden hadden uitgekristalliseerd. Het unieke eiwit wordt oorspronkelijk geproduceerd door een oceaanbacterie die inheems is in een heel speciale omgeving. Het leeft in water met een specifiek zoutgehalte, zuurgraad, en waterstofionenconcentratie (pH). Deze voorwaarden zijn een voorwaarde voor het eiwit om te doen wat onderzoekers verwachten dat het doet - dat wil zeggen, pomp natriumionen, terwijl ook pentameren in het celmembraan worden gevormd. De talrijke "valse" structuren van het eiwit bleken ofwel kristallisatie-artefacten te zijn of kwamen alleen overeen met de omstandigheden die de natriumpompactiviteit van KR2 vrijwel uitschakelen. wat het zeer aantrekkelijk maakt voor de wereldwijde optogeneticagemeenschap.

"Voor de eerste keer, we hebben de fysiologische omstandigheden voor het bestaan ​​en functioneren van KR2 gesimuleerd. Als resultaat, we hebben de 'juiste' structuur van het nieuwe eiwit verkregen, die overeenkomt met zijn geboortestaat. We toonden aan dat de functionele eenheid van het eiwit een pentameer is, " verklaarde Valentin Gordeliy van het Instituut voor Structurele Biologie in Grenoble. "Bovendien, we vonden een verklaring voor de tegenstrijdigheden tussen eerdere structurele studies van het eiwit."

De KR2 rodopsine is revolutionair voor optogenetica, en het kennen van de juiste structuur onder fysiologische omstandigheden is van fundamenteel belang, zowel voor het begrijpen van de mechanismen achter het functioneren ervan als voor het verkennen van het zenuwstelsel door nieuwe optogenetische hulpmiddelen te modelleren en toe te passen in de medische praktijk.