А) структура дослідженого родопсина, Б) схема з'єднання спіралів білка.
Вчені з Центру досліджень молекулярних механізмів старіння і вікових захворювань МФТІ спільно з колегами з Німеччини і США вперше отримали і досліджували структуру світлоактивованого протонного насоса з грибів. Її порівняли з відомими структурами білків з такою ж функцією. Виявилося, що білок має спільного предка з протонним насосом мікробів без мембран всередині. Однак суттєво відрізняється від білків бактерій, у клітинах яких є мембрани, але немає ядра. Отримані результати важливі для подальших досліджень білків у клітинах людей. Робота опублікована в журналі Communications Biology.
Живі організми діляться на три основні групи (домену) за наявністю обмежених мембранами областей у складі клітин. Археї (перший домен) не містять жодних мембранних частин у клітинах. Більш складно влаштовані бактерії (другий домен) - в їх клітинах присутні органели, оточені мембранами. Еукаріоти (третій домен), у свою чергу, містять і мембранні органели, і ядро у складі клітин. До останньої групи належать царства тварин (в яке входять і люди), грибів, рослин і деякі одноклітинні організми. Еволюційні відносини між представниками різних груп живих істот вивчаються за допомогою дослідження і порівняння геномів і білків.
Раніше порівняння геномів багатьох тварин показало, що світлочутливі білки в клітинах виконують надзвичайно різні функції і присутні у всіх царствах, а також у багатьох великих вірусах. Найбільш поширене сімейство світлочутливих білків - родопсини. Родопсини першого типу складаються з семи пронизуючих мембранів клітини спіралів (див. Малюнок). Білки використовують енергію світла для активного і пасивного транспорту іонів через мембрану клітини, запуску сигнальних реакцій і активації ферментів у клітинах. Світлочутливі білки застосовуються в оптогенетиці - методиці дослідження нервових імпульсів, які можна збуджувати за допомогою світла. Вони вважаються досить поширеними світличними білками на суші і основними «світловозахоплювачами» в океанах. Враховуючи повсюдне поширення родопсинів і їх важливу екологічну роль, немає сумнівів у тому, що ці білки зіграли значну роль в еволюції життя на Землі. На ранніх етапах еволюції багато організмів могли використовувати родопсини як одне з додаткових джерел енергії, що давало їм еволюційну перевагу. Широке розмаїття протонних помп, а також їх давність дозволяють досліджувати глобальні еволюційні процеси з історії змін цих білків. Однак родопсини еукаріот досліджені менш обширно, так як їх виділення і кристалізація значно складніше.
Автори дослідження використовували нещодавно розроблені ними ж методи експресії (в системі LEXSY) для виділення родопсина 1 типу з одноклітинного гриба. Вчені кристалізували білок і з'ясували його структуру. Виявилося, що структура родопсина з гриба вкрай схожа на структуру протонного насоса археї. Єдина значна відмінність була знайдена у внутрішньоклітинній частині білка: петля ECL1 набагато довшою від подібної до родопсину архей (див. малюнок 1). Автори вивчили функції цієї петлі і виявили, що вона пов'язується з внутрішньоклітинним кінцем, тим самим підвищуючи стабільність білка. Для визначення еволюційних відносин між родопсинами вчені порівняли відомі структури і послідовності білків. Виявилося, що послідовності і структури родопсинів еукаріот вкрай схожі з такими у білків архей. Мабуть, гени родопсинів піддаються великому горизонтальному перенесенню між організмами, що ускладнює пошук спільного предка. Однак висока структурна схожість протонних помп архей і еукаріот, поряд з функціональною схожістю, являє собою переконливий доказ архейного походження еукаріотичних протонних родопсинів і, швидше за все, всіх інших еукаріотичних родопсинів.
"Ми отримали першу кристалічну структуру високої роздільної здатності світлочутливого протонного насоса з організму гриба і з'ясували функціональну роль його N-кінцевої області. Досліджений родопсин був експресований в системі LEXSY, потім ми його кристалізували. Отже, система експресії LEXSY може бути сильним інструментом для отримання мембранних білків еукаріот для структурних досліджень. Ми також порівняли послідовність і структуру отриманого родопсина зі світлочутливими протонними помпами з різних царств. Аналіз показав, що еукаріотичні та архейні родопсини мають глибоку структурну схожість, що підтверджує гіпотезу про архейне походження родопсинів, знайдених у геномі еукаріот. Отримані результати важливі як для розуміння еволюції тварин, так і для подальших досліджень родопсинів еукаріот ", - пояснює Дмитро Забельський, співробітник лабораторії хімії та фізики ліпідів Центру досліджень молекулярних механізмів старіння і вікових захворювань МФТІ, аспірант Фізтех-школи фізики і досліджень ім.Ландау МФТІ.