Kék fénytől a molekuláris kapcsolóig
A legtöbb rhodopszin rózsaszínes vagy narancsos árnyalatú, így zöld és kék fényt nyelnek el, ezek hatására aktiválódnak. A tudomány régóta vadászik a kék színűekre, mert ezek a vörös fényre válaszolnak – a vörös fény viszont mélyebben és kíméletesebben hatol át a szöveteken, akár az emberi testen is. Kovalev laboratóriumi vizsgálatai során felfedezte, hogy az általa „cryorhodopszinoknak” elnevezett, hidegben élő mikrobákból származó fehérjék nemcsak rendkívül változatosak, hanem köztük több igazi kék példányt is találni. Erről a Science Advances című tudományos folyóiratban számoltak be.
A rhodopszinok színét a molekulaszerkezetük határozza meg – egészen apró szerkezeti eltérés is elég ahhoz, hogy teljesen más színnel válaszoljanak a fényre. Kovalev rájött, pontosan az a szerkezeti csavar teszi kék színűvé a cryorhodopszinokat, amelyre adatbázis-böngészés közben először felfigyelt. Most, hogy pontosan tudja, mi okozza ezt a színt, célzottan képes mesterséges kék rhodopszinokat tervezni.
Sejten belüli áramkör: ki, be!
Az áttörés nem csupán a szín miatt jelentős: Kovalev kollégái agysejteken is kipróbálták a cryorhodopszinokat. Ha UV-fénnyel világították meg a cryorhodopszint expresszáló sejteket, elektromos áram indult el bennük. Ezt követően, ha zöld fénnyel világították tovább, még izgatottabbá váltak a sejtek, ellenben ha vörös vagy UV-fényt kaptak, a sejtek kevésbé lettek ingerlékenyek.
A módszer tulajdonképpen egy új optogenetikai eszköz, mellyel villámgyorsan lehet ki- vagy bekapcsolni a sejtek elektromos aktivitását. Ez nemcsak alapkutatáshoz, hanem biotechnológiai és orvosi fejlesztésekhez is forradalmi jelentőségű lehet. Az ilyen típusú kutatások az alapjai az optikai cochleáris implantátumok fejlesztésének is, ahol fény segítségével próbálják visszaadni a hallást.
A jég biológiája: UV-védő és érzékelő
A frankfurti kutatók spektrális vizsgálatai szerint a cryorhodopszinok a leglassabbak az összes eddig ismert rhodopszin között, amikor fényre reagálnak. Ez a lassúság arra enged következtetni, hogy akár szenzorként is működhetnek, vagyis az UV-fény jelenlétét érzékelhetik a mikroorganizmusok számára. Ebben segíthet egy rejtélyes, apró fehérje is: mindig együtt találhatóak a két génnel, valószínűleg funkcionálisan összekapcsolódnak. MI-modellezéssel a kutatók kimutatták, hogy öt ilyen kicsi fehérje gyűrűt alkot a cryorhodopszin mellett, és ha UV-fényt érzékelnek, a kis protein továbbszállítja az információt a sejt belsejébe.
Ez a felfedezés új megvilágításba helyezi a fehérjefunkciók evolúcióját – úgy tűnik, ezek a fehérjék abban segítenek a hidegben élő mikrobáknak, hogy érzékeljék és kivédjék az őket a hegytetőkön vagy az örök hó alatt érő intenzív UV-sugárzást, amely könnyen károsíthatja őket.
Egyedi kihívások az egyedi molekulákkal
Az egyik nehézség abban rejlett, hogy ezek a fehérjék szinte teljesen azonos szerkezetűek. Már egyetlen atom helyzetének eltolódása is új tulajdonságokat eredményezhet – ilyen apró különbségek feltárása viszont rendkívül precíz vizsgálatokat igényelt. Kovalev ezért négy dimenziós strukturális biológiai megközelítést alkalmazott: ahhoz, hogy időben és térben is nagyfelbontású felvételeket készíthessen, ötvözte az EMBL Hamburg P14-es kristálydiffrakciós lézerét és a hollandiai Groningenben működő krio-elektronmikroszkópot, miközben fénnyel aktiválta a fehérjéket.
Mindehhez a kutatócsoportnak szinte teljes sötétségben kellett dolgoznia, hiszen a cryorhodopszinok éppolyan érzékenyek a fényre, mint amennyire kékek.
A cryorhodopszinok tehát még nem állnak készen arra, hogy azonnal bevethető eszközökké váljanak az orvosi vagy biotechnológiai fejlesztésekben, de mintapéldányként már most megmutatták, hogy a fagyos világban lappanghatnak a jövő legizgalmasabb molekuláris kapcsolói. Az pedig egészen biztos, hogy a Föld legeldugottabb, leghidegebb tájai még sok ehhez hasonló apró csodát rejtenek.
