Все новости

Биофизики получили модель бактериальной «солнечной электростанции»

Международная группа ученых, куда входят и сотрудники МФТИ, получила подробнейшую модель белка, при помощи которого бактерии превращают солнечную энергию в электрическую, перекачивая ионы через клеточную мембрану. Открытие, как считают его авторы, может помочь в создании искусственных белков такого рода.
Статья с подробным описанием открытия опубликована в журнале Nature Structural & Molecular Biology. Вместе с немецкими и французскими учеными биофизики из лаборатории перспективных исследований структуры белков МФТИ провели ряд экспериментов, которые определили устройство молекулы с точностью до нескольких ангстрем. Для сравнения: размер одного атома углерода чуть меньше одного ангстрема.

Белок, который изучали ученые, был впервые обнаружен всего несколько лет назад у морских бактерий Krokinobacter eikastus. Эти микроорганизмы научились синтезировать аналог светочувствительного белка родопсина (именно родопсины отвечают за наше зрение), который использует энергию света для переноса ионов натрия через мембрану. Это позволяет клетке поддерживать внутри себя оптимальную концентрацию солей, а ученые придумали несколько способов использовать такие ионные насосы в своих целях. Их нельзя напрямую задействовать в получении электроэнергии в промышленных масштабах, но с их помощью можно, например, научить реагировать на свет те клетки, которые этой способности изначально лишены. Светочувствительные ионные насосы можно применить и для управления нервной системой, и для ряда других исследований.

Ученые использовали рентгеноструктурный анализ. Они вначале выделили белок, а потом вырастили из него микроскопические кристаллы, которые были просвечены рентгеновским излучением. Когда рентгеновские лучи проходили через белковый кристалл, они рассеивались на упорядоченных молекулах в разные стороны и попадали на окружающий образец детектор. Детектор строил изображение рассеянного пучка, и по этому изображению физики реконструировали структуру молекулы. Аналогичный подход используется уже почти сто лет для определения строения различных веществ, именно он позволил узнать структурную формулу ДНК (знаменитая двойная спираль), однако рентгеновская кристаллография белковых молекул многократно сложнее определения структуры простых веществ.

Структура белка, общий вид. Изображение авторов исследования


Главным препятствием, с которым столкнулись исследователи, было получение белковых кристаллов. Такие кристаллы не растут в обычном перенасыщенном растворе, подобно кристаллам соли. Для их роста необходим специальный гель на основе липидных молекул, аналогов клеточной мембраны. Кроме того, нужно подобрать концентрацию реактивов и температурный режим, причем доступное для опытов количество белкового раствора ограничено настолько, что каждую пробу приходится ограничивать едва видимой каплей — в лаборатории МФТИ работу по подбору условий поручили специальному роботу.

Модель белкового кристалла. Изображение авторов исследования


Выращенные кристаллы затем отправили в Гренобль (Франция), на синхротронный источник излучения. Для восстановления структуры белков с точностью на уровне отдельных атомов требуется столь мощное рентгеновское излучение, что экспериментальные кристаллы просто сгорают при просвечивании. Однако поскольку физики использовали очень короткий импульс, он успел рассеяться и выйти из кристалла раньше, чем тот сначала расплавился, а потом и испарился.

Полученные данные о структуре светочувствительного белка KR2 позволят ученым разработать схожие белки с еще большей эффективностью. Кроме того, детальные модели белков позволяют лучше понять фундаментальные закономерности их работы: как именно белки захватывают ионы и переносят их через мембрану, как они используют энергию света. Понимание фундаментальных механизмов может помочь и в решении тех задач, которые пока даже не озвучиваются учеными напрямую, например в поиске эффективных лекарств или создании производящих биотопливо бактерий.

P.S. Подробный рассказ о методах изучения белковых молекул представлен на сайте МФТИ.