Strukturen av en organisk sjö Phycodnavirus rhodopsin II (OLPVRII), som är ett unikt protein som finns i genomet av jättevirus, har fastställts tack vare arbetet från MIPT-utexaminerade och Ph.D. studenter. Tidningen publicerades i Naturkommunikation .

Studien är resultatet av ett samarbete som omfattade många MIPT-alumner. Dmitry Bratanov var bland dem. Dmitry, som för närvarande arbetar vid Institute of Complex Systems (ICS-6) vid Research Center Juelich, Tyskland, säger att även om virala rhodopsiner först upptäcktes i de så kallade jättevirusen för flera år sedan, deras struktur, fungera, och biologisk roll har varit oklart tills nu.

Ett jättevirus är ett väldigt stort virus, storleken på en typisk bakterie. Den är så stor att den syns i ett ljusmikroskop. Jättevirus infekterar grönalger, som producerar syre och hjälper till att upprätthålla den naturliga ekologiska balansen i världshavet. Därför, jättevirus är av stort forskningsintresse ur ett miljöperspektiv.

"I det här arbetet, vi dechiffrerade högupplösta strukturen för OLPVRII, funktionellt karakteriserat proteinet, och visade att det bildar pentamerer inte bara i kristaller utan också i lipidmembran, " förklarar Dmitry. "Detta var ingen lätt uppgift. Många experiment måste utföras, för några av dem använde vi sofistikerad teknik och utrustning. Det vi har uppnått är resultatet av det hårda och noggranna arbetet från den internationella gruppen av forskare."

Denna pentameriska organisation har tidigare observerats i några andra rhodopsiner, Till exempel, till exempel, i den ljusdrivna natriumpumpen KR2. Dock, Det som gör OLPVRII-strukturen speciell är att den har en ovanlig por i mitten (se figur 1). Dess funktion är fortfarande okänd.

"Vi tror att poren kanske fungerar som en jonkanal, mest troligt för kloridjoner, " säger Kirill Kovalev, en medförfattare till uppsatsen och Ph.D. student vid MIPT.

Jonkanaler är proteiner som skapar en passiv väg för joner att flöda över cellmembranet. Dessa kanaler är vanligtvis stängda i mörker, vilket innebär att joner inte kan röra sig in i eller ut ur cellen. När det gäller ljuskänsliga kanaler, de öppnas som svar på ljusabsorption, vilket gör att joner kan strömma ner i koncentrationsgradienten. Med andra ord, joner rör sig i den riktning som skulle jämna ut koncentrationerna av joner inuti och utanför cellen.

Ett typiskt exempel på en ljuskänslig kanal är channelrhodopsin 2. Den hittades i grönalgen Chlamydomonas reinhardtii och används flitigt som ett optogenetiskt verktyg. När det gäller OLPVRII, forskarna tror att detta kan vara den första pentameriska ljusstyrda jonkanalen som någonsin upptäckts, som föreslås av den bestämda strukturen och molekylära simuleringarna.

"Dock, kanalaktiviteten för OLPVRII har ännu inte påvisats, " konstaterar Kirill Kovalev." Vi kommer att fortsätta vår forskning och kommer definitivt att ta reda på varför detta ovanliga rhodopsin skapades av naturen. Kanske hjälper det värden att fortsätta utföra sina livsuppehållande funktioner när en cell är infekterad av ett virus, eller det kanske är en sensor."

Som sagt, att studera strukturen hos det virala rhodopsinet kastade lite ljus över hur det fungerar. Det visades att OLPVRII, som de flesta andra rhodopsiner, fungerar som en protonpump. Det är dock osannolikt att detta är dess huvudsakliga funktion, säger forskarna. Dess huvudsakliga syfte har ännu inte undersökts och bevisats.

"Om vi ​​bevisar att detta virala rhodopsin faktiskt är en jonkanal, det kan bli ett bra verktyg i optogenetik och biomedicinska tillämpningar, " säger pappersmedförfattaren Valentin Gordeliy, som leder forskargrupper vid Institutet för strukturbiologi i Grenoble och forskningscentret Juelich. Valentin är också forskningskoordinator vid MIPT:s forskningscenter för molekylära mekanismer för åldrande och åldersrelaterade sjukdomar.

Forskarna säger att det nya verktyget kommer att överträffa alla sina motsvarigheter tack vare fördelarna med dess pentameriska struktur:den lätthet med vilken du genetiskt kan manipulera proteinets egenskaper och kanske de höga strömmarna som cirkulerar genom den centrala poren.

Att ha företrädesrätt att använda sin uppfinning, författarna till artikeln har lämnat in en patentansökan för användning av det virala rodopsinet OLPVRII inom området optogenetik.

Optogenetik är en gren av biofysik som använder ljus för att kontrollera celler i en levande organism. Som redan har visats, optogenetik kan användas för att återställa syn och hörselnedsättning, hjälpa till att kontrollera rörelser hos neurologiska patienter, och behandla de med Parkinsons och Alzheimers sjukdom.

Enligt Valentin Gordeliy, MIPT har all nödvändig utrustning som krävs för att genomföra en detaljerad studie av det virala rhodopsinets funktioner. Gruppen kommer att fortsätta sin forskning om OLPVRII, som kommer att vara av stor betydelse för biologin, evolutionsvetenskap, optogenetik, och ekologi.