來自俄羅斯，德國和法國的生物物理學(xué)家團(tuán)隊以莫斯科物理和技術(shù)研究所的研究人員為特色，在生理條件下發(fā)現(xiàn)并研究了KR2視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這項開創(chuàng)性工作為光遺傳學(xué)的未來突破奠定了基礎(chǔ)，光遺傳學(xué)是一個高度相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用于神經(jīng)疾病治療等等?；镜陌l(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致一種有效治療抑郁癥，焦慮癥，癲癇和帕金森病的新工具。報告該研究的論文，其中MIPT生物物理學(xué)家發(fā)揮了主導(dǎo)作用，發(fā)表在Science Advances，一個備受推崇的美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會期刊。

光遺傳學(xué)是一個全新的生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究通過光信號控制生物體內(nèi)神經(jīng)和肌肉細(xì)胞的技術(shù)。不久前，領(lǐng)先的研究期刊“科學(xué)”將光遺傳學(xué)稱為“十年的突破”。光遺傳學(xué)方法已經(jīng)能夠部分恢復(fù)因神經(jīng)系統(tǒng)疾病而受損的視力，聽力和肌肉控制。重要的是，這些技術(shù)使研究人員能夠詳細(xì)研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這不是指計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，而是指那些安置在人類大腦中并對我們的情緒，決策和其他基本過程負(fù)責(zé)的人。

幾年前，研究人員在海洋細(xì)菌Krokinobacter eikastus的細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)了一種新型的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白--KR2視紫紅質(zhì)。新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)對光敏感，因此可用于光遺傳學(xué)。在光的驅(qū)動下，這些蛋白質(zhì)可以促進(jìn)帶電粒子(例如離子)穿過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。通過將這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白導(dǎo)入細(xì)胞，研究人員可以使用光脈沖來控制神經(jīng)元細(xì)胞膜的電位，從而控制其活性。顯示KR2選擇性地在細(xì)胞外運(yùn)輸特定種類的顆粒 - 鈉離子。蛋白質(zhì)不是允許這些離子在兩個方向上通過，而是進(jìn)行主動運(yùn)輸，充當(dāng)“泵”。突變形式的KR2也顯示出鉀泵活性。

隨著新分子泵的發(fā)現(xiàn)，研究浪潮面臨著視紫紅質(zhì)的一些非常神秘的特性。幾個研究小組發(fā)現(xiàn)并描述了有希望的蛋白質(zhì)的總共五種不同結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在這些結(jié)構(gòu)中的一些中，五個KR2分子形成穩(wěn)定的五聚體，而在其他結(jié)構(gòu)中僅存在蛋白質(zhì)單體(圖1)。

在MIPT生物物理學(xué)家的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致各種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)混亂的原因。事實證明，研究KR2的研究小組已經(jīng)在不同條件下使蛋白質(zhì)結(jié)晶。這種獨特的蛋白質(zhì)最初是由一種非常特殊的環(huán)境中的海洋細(xì)菌產(chǎn)生的。它生活在具有特定鹽度，酸度和氫離子濃度(pH)的水中。這些條件是蛋白質(zhì)做研究人員期望它做的先決條件 - 即泵送鈉離子，同時在細(xì)胞膜中形成五聚體。這種蛋白質(zhì)的眾多“假”結(jié)構(gòu)要么是結(jié)晶假象，要么只對應(yīng)于實際上禁用KR2的鈉泵活性的條件，這使得它對全球光遺傳學(xué)界極具吸引力。“所以戲劇性的問題是：哪些結(jié)構(gòu)應(yīng)該被認(rèn)為是正確的呢?”該研究的第一作者，MIPT博士生Kirill Kovalev說。“事實上，這些結(jié)構(gòu)非常相似，但細(xì)節(jié)中的魔鬼，決定了蛋白質(zhì)在科學(xué)和臨床實踐中的可能應(yīng)用。”

“我們第一次模擬了KR2存在和功能的生理條件。結(jié)果，我們獲得了新蛋白質(zhì)的”正確“結(jié)構(gòu)，這與其天然狀態(tài)相對應(yīng)。我們展示了蛋白質(zhì)的功能單元。是一個五聚體，“格勒諾布爾結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究所的Valentin Gordeliy解釋道。“最重要的是，我們找到了對蛋白質(zhì)先前結(jié)構(gòu)研究之間矛盾的解釋。”

KR2視紫紅質(zhì)是光遺傳學(xué)的革命性產(chǎn)品，了解其在生理條件下的正確結(jié)構(gòu)，對于了解其功能背后的機(jī)制以及通過建模新的光遺傳學(xué)工具并將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實踐來探索神經(jīng)系統(tǒng)至關(guān)重要。