Обнаружено второе светоактивируемое состояние в ионном канале водорослей

Пересмотренная модель фотоцикла GtACR1. Автор: Communications Biology (2025). DOI: 10.1038/s42003-025-08560-4

Исследователи получили новые данные об ионном канале из водорослей. Эти открытия могут помочь оптогенетике раскрыть свой полный потенциал в будущем.

Учёные из Бохума и Регенсбурга обнаружили, что светочувствительный ионный канал из водоросли Guillardia theta обладает двумя светоактивируемыми состояниями. Недавно обнаруженное второе состояние гарантирует, что ионный канал может быть повторно открыт особенно быстро после закрытия.

Это делает его интересным для оптогенетики — метода, который исследователи используют для специфического контроля активности нейронных клеток с помощью света. Немецкая команда доктора Кристин Лабудды и доцента Карстена Кёттинга с кафедры биофизики Рурского университета в Бохуме, а также профессора Тилля Рудака из Университета Регенсбурга сообщила о своих находках в журнале Communications Biology.

Оптогенетика с потенциальным терапевтическим применением

В оптогенетике определённые нейронные клетки генетически модифицируются для производства светочувствительных белков из других организмов. Активность модифицированных нейронных клеток затем можно контролировать с помощью света. «Когда свет направляется на эти белки, они изменяют свою структуру, тем самым активируя или ингибируя клетки», — объясняет Рудак.

Исследователи также уже некоторое время экспериментируют с оптогенетикой для лечения определённых заболеваний. «Оптогенетика — многообещающий новый метод, например, для лечения болезни Паркинсона», — говорит Кёттинг. «Она может реактивировать повреждённые нейронные клетки в мозге и частично восстановить моторику».

Однако до потенциального внедрения процедуры в повседневную клиническую практику ещё далеко. Поэтому команды по всему миру работают над тем, чтобы лучше понять светочувствительные белки и определить оптимальных кандидатов для оптогенетики.

Одним из хорошо изученных белков является ионный канал GtACR1 из водоросли Guillardia theta, каналродопсин, который служит световым сенсором у водоросли. Когда GtACR1 активируется светом, пора канала открывается, позволяя отрицательно заряженным ионам, таким как хлорид, проходить через неё.

Высокоэффективный ионный канал

В текущем исследовании учёные из Бохума и Регенсбурга продемонстрировали, почему GtACR1 так эффективен. Они исследовали ионный канал с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, которая используется для определения структурных состояний белков.

Группа показала, что GtACR1 имеет два светоактивируемых состояния: хорошо известное основное состояние и промежуточную стадию, называемую O-промежуточной. Основное состояние присутствует в темноте.

Как и у других каналродопсинов, нормальный фотоцикл начинается, когда канал впервые активируется светом. Во время этого цикла проходят различные промежуточные стадии, которые отличаются своей структурой и ионной проводимостью. Одна из них — O-промежуточная, которая предшествует основному состоянию на несколько секунд.

Однако из-за конфигурации ретиналя — строительного блока, который служит прямым световым сенсором — O-промежуточная стадия светоактивируется в GtACR1, в отличие от других каналродопсинов.

«Второе обнаруженное нами светоактивируемое состояние гарантирует, что канал может быть повторно открыт особенно быстро, что значительно увеличивает его ионную проводимость», — объясняет Лабудда. Для применения в оптогенетике более высокая ионная проводимость означает, что на стимулы можно реагировать очень точно, а клетки можно нацеливать более специфично. Это открывает новые возможности для оптогенетических применений.

«С нашей работой мы впервые обнаружили каналродопсин с множественными светоактивируемыми состояниями», — подводит итог Кёттинг. «Должно быть возможно создать дополнительные светоактивируемые состояния в других каналродопсинах с помощью мутаций, повысив их эффективность».

«Эти открытия могут проложить путь к ещё более эффективным инструментам в оптогенетике — с многообещающими перспективами для науки и медицины».

Больше информации: Kristin Labudda et al, A second photoactivatable state of the anion-conducting channelrhodopsin GtACR1 empowers persistent activity, Communications Biology (2025). DOI: 10.1038/s42003-025-08560-4

Источник: Ruhr University Bochum

Интересный факт: Оптогенетика, как метод, была названа «методом года» в 2010 году журналом Nature Methods. Она позволяет с беспрецедентной точностью контролировать активность конкретных нейронов в живом мозге, просто освещая их светом определённой длины волны. Это стало возможным благодаря открытию светочувствительных белков у микроорганизмов, таких как водоросли, которые теперь используются в нейробиологии.