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Les biophysiciens indiquent le mécanisme moléculaire derrière le pompage lumière lumière de sodium

Une équipe de recherche internationale a pour la première fois obtenu la structure de la protéine KR2 de sodium-pompage sensible à la lumière dans sa condition active. La découverte fournit une description du mécanisme derrière le transfert lumière lumière d'ion de sodium en travers de la membrane cellulaire. Le papier a sorti dans des transmissions de nature.

KR2 est un membre d'une famille très nombreuse des rhodopsines microbiennes -- les protéines sensibles à la lumière présentent dans la membrane cellulaire des archéobactéries, des bactéries, des virus, et des eucaryotes. Ces protéines ont un large éventail de fonctionnements, y compris le transport lumière lumière des ions en travers de la membrane. De tels canaux ioniques et pompes sont les outils principaux de l'optogenetics, un inducteur éclatant en biomédecine avec une orientation sur les cellules de réglage dans le fuselage en les illuminant avec la lumière.

Optogenetics est venu à l'excroissance due à ses cotisations d'une façon minimum aux techniques invasives pour la recherche de cerveau et les demandes de règlement neurodegenerative de trouble adressant Alzheimer, Parkinson, et d'autres maladies. Au delà du ce, l'optogenetics active renverser la visibilité et la perte auditive et remettre l'activité musculaire.

En dépit de ses nombreuse réussite, le développement ultérieur de l'optogenetics est compliqué par le nombre limité de protéines procurables adaptées pour l'activation des cellules et l'inhibition. Par exemple, l'outil optogenetic le plus très utilisé, le channelrhodopsin 2, dont la structure était initialement rapportée en la Science par des chercheurs et des diplômés de MIPT, peut transporter le sodium, potassium, et ions calcium, ainsi que protons. La sélectivité inférieure de la protéine mène aux effets secondaires indésirables sur des cellules. Comme résultat, optimiser les protocoles pour l'usage des outils optogenetic est actuel coûteux et temps-intensif.

La recherche des protéines neuves et plus sélectrices est une priorité pour l'optogenetics. Un des candidats, la rhodopsine KR2 découverte en 2013, est un seul outil qui transporte sélecteur seulement les ions de sodium en travers de la membrane dans des conditions physiologiques. Comprenant comment les travaux KR2 est essentiel pour optimiser les caractéristiques fonctionnelles de cette protéine et l'usage de elles comme base pour les outils optogenetic neufs.

Biophysiciens de MIPT publiés les premières structures de KR2 dans ses formes variées en 2015 et 2019. Notamment, elles ont prouvé que la protéine dispense en pentamères dans la membrane, et qu'un tel comportement est indispensable à son fonctionnement.

Cependant, tous les modèles décrits jusqu'ici ont regardé la protéine dans son état fondamental inactif et ou. Pourtant il est seulement dans la condition active -- après illumination -- que la protéine transporte réellement le sodium. Pour comprendre comment la pompe KR2 fonctionne, les chercheurs ont maintenant obtenu et ont décrit sa structure à haute résolution dans la condition active.

Nous avons commencé à l'aide de l'approche traditionnelle, activant KR2 dans des cristaux de protéine de pregrown en les illuminant par un laser et en obtenant un instantané de la condition active en gelant rapidement les cristaux à 100 kelvins. Nous sommes devenus chanceux, parce que de telles manipulations peuvent bien détruire les cristaux. Pour éviter ceci, nous avons dû régler avec précision la longueur d'onde de laser et actionner et trouver la durée d'exposition optimale. »

Kirill Kovalev, le premier auteur de l'étude, étudiant au doctorat de MIPT

La production de le grand nombre de cristaux de haute qualité de la rhodopsine KR2 nécessaires pour les expériences a été rendue possible par le seul matériel du centre de recherche de MIPT pour des mécanismes moléculaires des maladies de vieillissement et de lié à l'âge.

La conclusion la plus significative de l'étude recense les résidus d'acide aminé de la protéine qui grippent l'ion de sodium à l'intérieur de la molécule KR2. Ils sont le facteur qui détermine la sélectivité de rhodopsine vers un type particulier d'ions. En plus du ce, une structure à haute résolution pour la condition active de la protéine à 2,1 angströms -- 21 cent-milliardièmes d'un mètre -- a indiqué la configuration précise de l'accepteur d'ion de sodium au centre actif de la protéine. Pour la première fois, l'équipe a prouvé que l'accepteur de KR2 est devenu optimisé pour des ions de sodium au cours de l'évolution de rhodopsine. Ceci signifie que la structure de condition active obtenue en étude est plus adaptée pour le modèle rationnel des outils optogenetic de la deuxième génération de KR2-based.

« Au cours de notre travail, nous avons également obtenu la structure du l'actif-état KR2 à la température ambiante, » Kovalev a ajouté. « Pour réaliser ceci, nous avons dû mettre à jour les protocoles réputés pour rassembler des caractéristiques cristallographiques. En outre, nous avons utilisé une source de rayonnement de synchrotron pour influencer les techniques séquentielles de cristallographie, qui se développent populaires en ce moment. »

La structure de la température ambiante KR2 a confirmé que le modèle de protéine produit à partir d'un instantané à basse température est correct. Ceci a fourni une démonstration directe que la congélation cryogénique n'a pas affecté la structure interne de la rhodopsine.

Les structures rapportées dans le papier ont permis aux scientifiques de fournir une description toute première de transport d'ion lumière lumière actif de sodium en travers de la membrane cellulaire. Particulièrement, l'étude prouve que le transport de sodium concerne très probablement un mécanisme hybride comporté par transport de proton de relais et diffusion passive d'ion par les cavités polaires dans la protéine. Le mécanisme proposé par les chercheurs a été confirmé par l'intermédiaire des études fonctionnelles des formes KR2 mutées et les simulations de dynamique moléculaire de l'ion de sodium relâchent de la protéine.

Le « transport d'ion en travers de la membrane cellulaire est un procédé biologique principal. Que dit, le transport d'ion de sodium devrait être activé par un mécanisme distinct de celui impliqué dans le transport de proton, » explique Valentin Gordeliy, directeur pour la recherche à l'institut de Grenoble pour la biologie structurelle et au Coordinateur scientifique du centre de recherche de MIPT pour des mécanismes moléculaires des maladies de vieillissement et de lié à l'âge. « Pour la première fois, nous voyons comment un ion de sodium est lié à l'intérieur de la molécule de rhodopsine et comprenons le mécanisme pour le desserrage d'ion dans l'espace intercellulaire. »

Les biophysiciens sont convaincus que leurs découvertes indiquent non seulement les principes principaux étant à la base du transport d'ion en travers de la membrane mais seront utiles à l'optogenetics. MIPT continue le développement des formes optimisées de la protéine KR2 pour augmenter l'ensemble d'outils pour la recherche de cerveau et les traitements neurodegenerative de la maladie.

Source:
Journal reference:

Kovalev, K., et al. (2020) Molecular mechanism of light-driven sodium pumping. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-16032-y.