Voor de eerste keer, een internationaal team van onderzoekers heeft het lichtgevoelige eiwit archaerhodopsin-3 (AR3) in een ongekende resolutie gevisualiseerd met behulp van de I24- en B23-bundellijnen bij Diamond Light Source. De fotoreceptor wordt uitgedrukt door Halorubrum sodomense, een organisme dat groeit in de Dode Zee, maar is vooral bekend om zijn toepassingen in optogenetica-experimenten, waarin het wordt gebruikt om individuele neuronen tot zwijgen te brengen en om veranderingen in celmembraanspanning te detecteren. Deze nieuwe structuren maken de weg vrij voor de ontwikkeling van nieuwe instrumenten en methodologieën op het gebied van neurowetenschappen, celbiologie en daarbuiten.

In hun krant vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team rapporteert de allereerste structuur van de grondtoestand van AR3. In deze staat, het eiwit is geconfigureerd om één H . te transporteren ⁺ ion over het celmembraan voor elk geabsorbeerd foton. Het team was ook in staat om de fotoreceptor in een tweede conformatie te kristalliseren, een ongevoelige toestand die door AR3 wordt aangenomen bij langdurige afwezigheid van licht.

Corresponderende auteur Prof. Anthony Watts van de Universiteit van Oxford zegt; "De uitstekende resolutie die we hebben bereikt voor deze AR3-structuren, 1.07 Å voor de grondtoestand, behoort tot de hoogste voor een wildtype membraaneiwit dat tot op heden in de Protein Data Bank is gedeponeerd. Deze kwaliteit stelt ons in staat om direct de complexe verdeling van watermoleculen in de receptor te visualiseren en de functionele betekenis te beschrijven van de ingewikkelde netwerken van waterstofbruggen die ze vormen, iets dat van belang is in veel biomoleculen, niet alleen in fotoreceptoren. Deze netwerken in AR3 omvatten interacties met de retinale groep en aminozuurzijketens en, In deze krant, we hebben laten zien hoe ze zijn veranderd tussen de grond en ongevoelige toestanden van het eiwit."

De betekenis van het AR3-eiwit uitleggend, gezamenlijke eerste auteur Dr. Juan Francisco Bada Juarez opmerkingen; "De opwindende ontwikkelingen in optogenetica in het afgelopen decennium hebben geleid tot intense interesse in AR3 van wetenschappers over de hele wereld. Mutanten van het eiwit worden routinematig gebruikt in neurowetenschappelijke experimenten om individuele zenuwcellen selectief tot zwijgen te brengen en ook om veranderingen in transmembraanspanning te detecteren. , deze mutanten zijn ontworpen zonder kennis van de structuur van het eiwit zelf. Onze gegevens bieden structurele biologen en eiwitingenieurs de 'blauwdrukken' voor AR3 en, als resultaat, we kunnen een aanzienlijke versnelling verwachten in de ontwikkeling van nieuwe optogenetische hulpmiddelen."

Co-corresponderende auteur Dr. Isabel Moraes van het National Physical Laboratory (NPL) voegt toe:

"De diffractiegegevens met zeer hoge resolutie hebben ons in staat gesteld om de bewegingsvrijheid van verschillende belangrijke aminozuur- en individuele watermoleculen in de fotoreceptor tot in detail te observeren. Het oplossen van de AR3-structuren was buitengewoon uitdagend, vanwege de complexiteit van de kenmerken die we kunnen onderscheiden bij atomaire resolutie. Veel aminozuurzijketens in het eiwit werden in meer dan één positie of oriëntatie opgelost, wat hun belang voor de eiwitfunctie aangeeft. Kennis van de dynamiek van deze groepen was de sleutel om te begrijpen hoe de processen van sensibilisatie en desensibilisatie plaatsvinden."

Essentieel voor het begrijpen van de werking van het eiwit, waren de kristalstructuren met hoge resolutie opgelost door het team. Het verkrijgen van zulke hoogwaardige diffractiegegevens zou niet mogelijk zijn geweest zonder de ultramoderne microfocusbundellijn bij de Diamond Light Source, de nationale synchrotron van het VK, nabij Didcot in Oxfordshire. Het team werkte nauw samen met verschillende experts van Diamond.

"De microkristallen die door de Oxford- en NPL-teams werden gekweekt, waren perfect geschikt voor de mogelijkheden van de I24-bundellijn. Met behulp van software die is ontwikkeld door de DIALS-softwareontwikkelingsgroep bij Diamond, we waren in staat om diffractiebeelden van meerdere kristallen te combineren om complete datasets te verkrijgen. De combinatie van nauwkeurige microfocus röntgenstraling en geavanceerde gegevensanalyse stelde ons in staat om de resolutie van de resulterende structuren tot het uiterste te drijven", zegt Diamond Senior Beamline Scientist Dr. Danny Axford.

Tot besluit voegt prof. Watts toe:"Dit was een fascinerende studie. Het was een genoegen om met zoveel deskundige collega's samen te werken, zowel in het Verenigd Koninkrijk als over de hele wereld. We hebben nu niet alleen een zeer gedetailleerde kennis van de structuren van twee belangrijke functionele toestanden van AR3, maar de verkregen inzichten verdiepen ons begrip van hoe de processen van sensibilisatie en desensibilisatie plaatsvinden in veel andere receptoreiwitten."