Furcsa fehérjék a jég birodalmából
Kirill Kovalev, az EMBL Hamburg posztdoktori kutatója fizikus lévén a természet trükkjeit próbálja megfejteni – különösen lenyűgözik a rodopszinok, vagyis azok a színes fehérjék, amelyek lehetővé teszik a vízi mikroorganizmusok számára, hogy a napfényből nyerjenek energiát. Munkája során kifejezetten a különleges rodopszinokat keresi, hátha olyan rejtett tulajdonságokra bukkan, amelyekből az emberiség is profitálhat.
Néhány rodopszint már most is módosítanak, hogy fény által kapcsolható „kapcsolóként” szabályozzák az idegsejtek elektromos aktivitását – vagyis optogenetikai eszközökké váltak. Más változataik pedig akár kémiai reakciókat is szabályozhatnak fény segítségével.
Kovalev évek óta tanulmányozza a rodopszinokat, mégsem számított arra, amit a hideg környezetben élő mikrobák fehérje-adatbázisait böngészve talált. Ezek az úgynevezett kriorhodopszinok egymástól több ezer kilométerre, mégis szinte azonos szerkezettel fejlődtek ki – ami igazán ritka. Ez arra utal, hogy nélkülözhetetlenek a túléléshez a hidegben.
Kékben ragyogó fényérzékenység
A színes rodopszinok világában a szín kulcsfontosságú kérdés. A legtöbb rodopszin rózsaszín vagy narancs – ezek a zöld és kék fényt nyelik el, így kapcsolhatók be. A tudományos világ számára a kék rodopszinok régóta vágyott célpontok, mert a piros fény váltja ki őket, amely mélyebben, fájdalommentesen hatol át a szöveteken.
Kovalev kimutatta, hogy a kriorhodopszinok akár kék színben is ragyoghatnak. A fehérje szerkezete dönti el, pontosan milyen színt „lát” egy rodopszin – kisebb változtatások is teljesen új színt eredményezhetnek. Így ha megértik, mi adja a kék árnyalatot, már egyedi igényekre szabott, szintetikus változatokat is tervezhetnek.
További laboratóriumi kísérletek során a kutatók azt is felfedezték, hogy ha az idegsejtekbe beültetett kriorhodopszinokat UV-fénnyel világítják meg, áram keletkezik bennük. Ha ezt követően zöld fénnyel világítják meg őket, az idegsejtek izgatottabbá válnak; ha viszont UV-vel vagy piros fénnyel, akkor csökken az ingerlékenységük. Ez a képesség kulcsfontosságú lehet az élő sejtek, sőt akár hallókészülékek vagy agyi terápiák új generációja számára, hiszen minden eddiginél precízebben kapcsolhatók be és ki az idegsejtek.
Az UV-fény mikrobiális érzékelője
Még egy borongós hamburgi napon is képesek ezek a kriorhodopszinok érzékelni az UV-fényt. Az egyik legmeglepőbb tulajdonságuk, hogy jóval lassabban reagálnak a fényre, mint más rodopszinok – ez arra utalhat, hogy speciális érzékelőként szolgálnak, segítve a mikrobákat a káros UV-sugárzás észlelésében.
A kriorhodopszin gén további vizsgálata során kiderült, hogy mindig együtt öröklődik egy másik, apró fehérje génjével, amelynek funkciója eddig ismeretlen volt – talán ez lehet a hiányzó jelvivő. Az MI-alapú AlphaFold algoritmus szerint öt ilyen kis fehérje gyűrűt képez, és közvetlenül kapcsolódik a kriorhodopszinhoz a sejten belül. A kutatók úgy gondolják, hogy amikor a kriorhodopszin érzékeli az UV-fényt, ez a kis fehérje elindulhat, hogy továbbítsa az információt a sejt belseje felé.
Úgy tűnik, ez a mechanizmus nemcsak a kriomikrobákban van jelen: más élőlényekben is megtalálhatóak ezek a kis fehérjék, így a jövőben a sejtes kommunikációban rendkívül sokoldalúan használhatók lehetnek.
A kriorhodopszinok puszta léte továbbra is rejtély. Valószínű azonban, hogy nem a hideghez, hanem az UV-fény érzékeléséhez alkalmazkodtak – elvégre a hegytetőkön, jégmezőkön élő baktériumokat különösen erős UV-sugárzás éri.
Különleges molekulák az élvonalban
A kriorhodopszinok tanulmányozása igazi technikai kihívás. Ezek a fehérjék annyira hasonlítanak egymásra, hogy akár egyetlen atomi szintű eltérés is új tulajdonságokat eredményezhet. Kovalev ezért legtöbbször csak sötétben dolgozhatott velük: speciális, négydimenziós szerkezeti biológiai módszereket alkalmazott, röntgenkrisztallográfiát Hamburgban és krio-elektronmikroszkópiát Hollandiában, mindezt fényérzékeny mintákkal.
A kutatás mögött nemcsak kiváló technikai háttér áll, hanem komoly csapatmunka is: minden egyes P14-es gerendavezérlő munkatárs Kovalev céljaihoz igazította a kísérleti beállításokat.
Jövő a fényalapú orvostechnikában
Habár a kriorhodopszinok még nem elérhetők valódi alkalmazásokhoz, már most ígéretes prototípusai a jövő fénykapcsolóinak. Kiváló alapot nyújtanak még hatékonyabb, precíz optogenetikai eszközök fejlesztéséhez – gyógyszerek nélküli neuromoduláció és új orvosi műszerek előtt nyitva meg az utat. Az univerzális, többfunkciós kapcsolófehérjék megértése új korszakot nyithat a neurotechnológiában – az örök jégből érkező mikroorganizmusok segítségével.
