Учёные создали световые переключатели для ионных каналов в живых клетках

Исследователи из Лейпцигского университета и Дрезденского технического университета разработали биологические переключатели, которые могут избирательно включать и выключать ионные каналы с помощью световых импульсов. Первые применения показывают, что теперь можно, например, стимулировать нервные клетки в мозге или контролировать высвобождение адреналина из клеток надпочечников и движение тонкого кишечника с помощью световых стимулов.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.

Ионные каналы действуют как избирательные ворота в плотной клеточной мембране, регулируя целенаправленный транспорт ионов, таких как натрий, калий и кальций. В зависимости от стимула эти каналы могут открываться и закрываться — например, в ответ на электрические сигналы, химические молекулы или внутриклеточные мессенджеры. Они играют важную роль во многих органах, включая мозг, надпочечники и пищеварительный тракт.

В центре текущего исследования находятся два ионных канала из так называемого семейства транзиентных рецепторных потенциалов (TRP) — TRPC4 и TRPC5. Ключевое открытие — это переключатель эффективности: новое соединение, активность которого можно обратимо контролировать светом, действующее как активатор канала под фиолетовым светом и как ингибитор канала под синим светом.

Для этого исследования команда под руководством учёных из Лейпцигского и Дрезденского университетов объединила соединения, влияющие на каналы TRPC4 и TRPC5, с химическим фото-переключателем, что позволило «включать» и «выключать» молекулы.

Две новые молекулы, названные AzPico и AzHC, действуют как молекулярные фото-переключатели, позволяющие управлять активностью каналов с помощью целенаправленных внешних световых стимулов.

Отличительная черта исследования в том, что контроль не ограничивается простым механизмом «вкл/выкл»: вместо этого интенсивность эффекта зависит от цвета используемого света. Фото-переключатель функционирует, в прямом смысле слова, как диммер, позволяя точно регулировать эффект, где выбранный цвет света соответствует настройке управления.

«С помощью этого нового метода, который мы называем «хромоконтроль», можно стимулировать клеточные или органные функции с очень высокой пространственной и временной точностью и с точно определённой интенсивностью», — объясняет профессор Михаэль Шефер, директор Института фармакологии и токсикологии имени Рудольфа Бёма.

Профессор фармакологии и токсикологии Лейпцигского университета руководил исследованием в сотрудничестве с профессором Оливером Торн-Сесхолдом из Дрезденского технического университета. Первые применения включают активацию специфических групп нейронов в мозге, светорегулируемое высвобождение адреналина из надпочечников и светоконтролируемое сокращение или расслабление тонкого кишечника.

Новые фото-переключатели реагируют надёжно

Точные места связывания двух новых фото-переключателей были выяснены в сотрудничестве с профессором Робином Боном из Университета Лидса и профессором Штефаном Раунзером из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде с помощью высокоразрешающей криоэлектронной микроскопии. Кроме того, эксперименты на генетически модифицированных линиях мышей показали, что фото-переключатели TRPC4 и TRPC5 действуют с высокой степенью избирательности и специфичности.

В последующих исследованиях учёные в настоящее время изучают дополнительные системы органов, в которых ионные каналы TRPC4 и TRPC5 играют важную роль.

Параллельно разрабатываются соединения-преемники, которые можно активировать с помощью света с большей длиной волны. Этот подход может позволить надёжно воздействовать на ещё более глубокие слои тканей. В будущем эти новые светоконтролируемые молекулы могут помочь улучшить наше понимание сложных физиологических функций и поддержать разработку новых, регионально и временно настраиваемых терапевтических подходов.

Исследование проводилось в рамках совместного исследовательского центра Transregio 152.

Источник: Leipzig University