Někdo to rád studené: kryorodopsiny

Vzácné modré proteiny z mikrobů adaptovaných na chlad mohou sloužit jako prototypy pro návrh molekulárních přepínačů pro buňky. Rodopsiny jsou skupinou proteinů, které stejně jako chlorofyl umožňují organismům absorbovat energii ze slunečního záření. Některé lze upravit tak, aby fungovaly jako světlem ovládané přepínače elektrické aktivity v buňkách. V nové studii vědci objevili skupinu mikrobiálních rodopsinů, které se nacházejí výhradně v chladném prostředí, jako jsou ledovce, a pojmenovali je „kryorodopsiny“. Některé kryorodopsiny jsou modré, což znamená, že absorbují červené světlo – vzácná vlastnost absorpce světla, která může mít široké uplatnění v mnoha vědeckých oblastech. Kryorodopsiny jsou prvními pozorovanými prototypy přepínačů, které zapínají a vypínají elektrickou signalizaci v buňkách v závislosti na barvě světla, které přijímají – schopnost, která nabízí nové možnosti pro vědu a medicínu.

Představte si nádherné ledovce Grónska, věčný sníh tibetských vysokých hor či trvale ledově studenou podzemní vodu ve Finsku. Jakkoli jsou tyto povrchy chladné a krásné, pro strukturního biologa Kirilla Kovaleva jsou ještě důležitější – jsou domovem neobvyklých molekul, které by mohly řídit aktivitu mozkových buněk.

Kovalev, postdoktorandský pracovník EIPOD ve Schneider Group EMBL Hamburg a Bateman Group EMBL-EBI, je fyzik, který se vášnivě zabývá řešením biologických problémů. Obzvláště ho zaujaly rodopsiny, skupina barevných proteinů, které umožňují vodním mikroorganismům využívat sluneční světlo k výrobě energie. „Ve své práci hledám neobvyklé rodopsiny a snažím se pochopit, co dělají,“ řekl Kovalev. „Takové molekuly by mohly mít neobjevené funkce, ze kterých bychom mohli těžit.“

Optogenetika

Některé rodopsiny již byly modifikovány tak, aby sloužily jako světlem ovládané spínače elektrické aktivity v buňkách. Tuto techniku, nazývanou optogenetika, používají neurovědci k selektivní kontrole neuronální aktivity během experimentů. Rodopsiny s dalšími schopnostmi, jako je enzymatická aktivita, by mohly být například použity k řízení chemických reakcí se světlem.

Rodopsin je protein procházející buněčnou membránou složený z proteinové složky opsinu a karotenové složky retinalu. Retinal je schopen prudce reagovat na dopadající fotony světla.

Kovalev, který léta studoval rodopsiny, si myslel, že je zná skrz naskrz – dokud neobjevil novou, neznámou skupinu rodopsinů, které se lišily od všeho, co dosud viděl.

Jak se to ve vědě často stává, začalo to náhodou

Při procházení online proteinových databází spatřil Kovalev neobvyklý rys společný mikrobiálním rodopsinům, které se nacházejí výhradně ve velmi chladném prostředí, jako jsou ledovce a vysoké hory. Rodopsiny se obvykle nacházejí v mořích a jezerech. Tyto rodopsiny z chladného podnebí byly téměř identické, přestože se vyvinuly tisíce kilometrů od sebe. To nemohla být náhoda. Musí být nezbytné pro přežití v chladu, usoudil Kovalev, a aby to potvrdil, pojmenoval je „kryorodopsiny“.

Rodopsiny z čistého nebe

Kovalev se chtěl dozvědět více: jak tyto rodopsiny vypadají, jak fungují a zejména jakou mají barvu. Barva je klíčovým rysem každého rodopsinu. Většina z nich je růžovooranžová – odrážejí růžové a oranžové světlo a absorbují zelené a modré světlo, které je aktivuje. Vědci se snaží vytvořit paletu různobarevných rodopsinů, aby mohli přesněji řídit neuronální aktivitu. Modré rodopsiny jsou obzvláště vyhledávané, protože jsou aktivovány červeným světlem, které proniká do tkání hlouběji a neinvazivně.

Ke Kovalevovu úžasu kryorodopsiny, které zkoumal v laboratoři, odhalily nečekanou rozmanitost barev, a co je nejdůležitější, některé byly modré. Barva každého rodopsinu závisí na jeho molekulární struktuře, která určuje vlnové délky světla, které absorbuje a odráží. Jakékoli změny v této struktuře mohou změnit barvu. „Ve skutečnosti dokážu poznat, co se s kryorodopsinem děje, pouhým pohledem na jeho barvu," žertuje Kovalev.

Použitím pokročilých technik strukturní biologie zjistil, že tajemství modré barvy spočívá ve stejném vzácném strukturním prvku, který původně spatřil v proteinových databázích. „Nyní, když chápeme, co je činí modrými, můžeme navrhnout syntetické modré rodopsiny přizpůsobené různým aplikacím,“ řekl Kovalev.

UV světlo odemyká přepínač pro buňky

Kovalevovi spolupracovníci zkoumali kryorodopsiny v kultivovaných mozkových buňkách. Když byly buňky exprimující kryorodopsiny vystaveny UV světlu, indukovalo to uvnitř nich elektrické proudy. Je zajímavé, že pokud vědci buňky ihned poté osvětlili zeleným světlem, staly se excitabilnějšími (vzrušivějšími), zatímco pokud místo toho použili UV/červené světlo, excitabilita buněk se snížila.

„Nové optogenetické nástroje pro efektivní přepínání a vypínání elektrické aktivity buňky by byly neuvěřitelně užitečné ve výzkumu, biotechnologiích a medicíně,“ řekl Tobias Moser, vedoucí skupiny na Univerzitní lékařské fakultě v Göttingenu. „Například v mé skupině vyvíjíme nové optické kochleární implantáty pro pacienty, které mohou optogeneticky obnovit sluch pacientů. Rozvoj využití takového víceúčelového rodopsinu pro budoucí aplikace je důležitým úkolem pro další studie.“

„Naše kryohodopsiny ještě nejsou připraveny k použití jako nástroje, ale jsou vynikajícím prototypem. Mají všechny klíčové vlastnosti, které by na základě našich zjištění mohly být navrženy tak, aby se staly efektivnějšími pro optogenetiku,“ řekl Kovalev.

Ochrana před UV zářením

Když jsou kryorodopsiny vystaveny slunečnímu záření i za deštivého zimního dne v Hamburku, dokážou vnímat UV záření, jak ukázali pomocí pokročilé spektroskopie Kovalevovi spolupracovníci z Goetheho univerzity ve Frankfurtu pod vedením Josefa Wachtveitla. Wachtveitlův tým ukázal, že kryorodopsiny ve skutečnosti reagují na světlo nejpomaleji ze všech rodopsinů. To vedlo vědce k podezření, že by tyto kryorodopsiny mohly fungovat jako fotosenzory, které umožňují mikrobům „vidět“ UV záření – vlastnost, o které ostatní kryorodopsiny neslyšeli.

„Dokážou to opravdu?“ ptal se Kovalev sám sebe. Typický senzorový protein se spojí s molekulou posla, která přenáší informace z buněčné membrány do nitra buňky.

Kovalev se přesvědčil, když si společně se svými spolupracovníky z Alicante ve Španělsku a svým spoluvedoucím, Alexem Batemanem z EMBL-EBI, všimli, že gen kryorodopsinu je vždy doprovázen genem kódujícím malý protein s neznámou funkcí – pravděpodobně zděděný společně a možná funkčně propojený.

Kovalev se zamýšlel, zda by to nemohl být chybějící poslíček. Pomocí nástroje umělé inteligence AlphaFold se týmu podařilo ukázat, že pět kopií malého proteinu by vytvořilo kruh a interagovalo by s kryorodopsinem. Podle jejich předpovědí se malý protein nachází uvnitř buňky naproti kryorodopsinu. Věří, že když kryorodopsin detekuje UV záření, mohl by se odchýlit a přenést tuto informaci do buňky.

„Bylo fascinující odhalit nový mechanismus, kterým by mohl být světlocitlivý signál z kryorodopsinů přenášen do jiných částí buňky. Vždy je vzrušující zjistit, jaké funkce mají necharakterizované proteiny. Ve skutečnosti tyto proteiny nacházíme i v organismech, které kryorodopsin neobsahují, což možná naznačuje mnohem širší škálu úkolů těchto proteinů.“

Proč si kryohodopsiny vyvinuly svou úžasnou dvojí funkci – a proč jen v chladném prostředí – zůstává záhadou.

„Máme podezření, že si kryorodopsiny vyvinuly své jedinečné vlastnosti ne kvůli chladu, ale spíše proto, aby mikroby mohly vnímat UV záření, které pro ně může být škodlivé,“ řekl Kovalev. „V chladném prostředí, jako je vrchol hory, bakterie čelí intenzivnímu UV záření. Kryorodopsiny jim mohou pomoci ho vnímat, aby se mohly chránit. Tato hypotéza se dobře shoduje s našimi zjištěními. Objev mimořádných molekul, jako jsou tyto, by nebyl možný bez vědeckých expedic do často odlehlých míst, kde by se zkoumaly adaptace organismů, které tam žijí. Z toho se můžeme tolik naučit!“

Unikátní přístup k unikátním molekulám

Aby Kovalev a jeho spolupracovníci odhalili fascinující biologii kryorodopsinů, museli překonat několik technických výzev. Jednou z nich bylo, že kryorodopsiny mají téměř identickou strukturu a i nepatrná změna polohy jediného atomu může vést k odlišným vlastnostem. Studium molekul na této úrovni detailů vyžaduje jít nad rámec standardních experimentálních metod. Kovalev aplikoval 4D přístup strukturní biologie, kombinující rentgenovou krystalografii na svazku EMBL Hamburg P14 a kryoelektronovou mikroskopii (cryo-EM) ve skupině Alberta Guskova v nizozemském Groningenu s aktivací proteinů světlem. „Ve skutečnosti jsem se rozhodl pro postdoktorandské studium na EMBL Hamburg kvůli unikátnímu nastavení svazku, které mi umožnilo realizovat můj projekt,“ řekl Kovalev. „Celý tým P14 Beamline spolupracoval na přizpůsobení nastavení mým experimentům – jsem jim za jejich pomoc velmi vděčný.“

Další výzvou bylo, že kryorodopsiny jsou extrémně citlivé na světlo. Z tohoto důvodu se Kovalevovi spolupracovníci museli naučit pracovat se vzorky téměř v úplné tmě.

Zdroj: Tisková zpráva EMBL