Описан древнейший белок-фотосенсор у примитивных живых организмов

Ученые из федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН определили структуру белка-фотосенсора OCPX у самых примитивных цианобактерий рода Gloeobacter. Этот белок защищает их клетки от повреждений при чрезмерном освещении. Оказалось, что, в отличие от своих аналогов из эволюционно более молодых цианобактерий, OCPX способен быстро переходить из фотоактивированного состояния в неактивное даже при сравнительно низких температурах.

Цианобактерии (микрофотография)

Полученные данные позволят лучше понять механизмы адаптации к различным условиям среды цианобактерий — микроорганизмов, играющих важную роль в водных экосистемах, а также широко использующихся в промышленности. Исследование проводилось при поддержке национального проекта «Наука и университеты».

Цианобактерии — это крупная группа бактерий, способных к фотосинтезу. Именно благодаря им 2,5 млрд лет назад атмосфера Земли насытилась кислородом. Так, эти микроорганизмы, подобно растениям, способны преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей. Для фотосинтеза им необходимы специальные молекулярные комплексы, активирующиеся светом и передающие возбуждение на хлорофилл. Такие комплексы состоят из белков, связывающих пигменты — например, каротиноиды. При этом набор каротиноид-связывающих белков у разных цианобактерий отличается. Бактерии рода Gloeobacter, отделившиеся от остальных цианобактерий около 2 млрд лет назад, обладают оранжевым каротиноидным белком, обозначаемым OCPX из-за его значительных отличий в последовательности по сравнению с уже исследованными вариантами OCP, а также независимо существующими вариантами его N-концевого и C-концевого доменов.

Ученые из федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН (Москва) и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) впервые установили кристаллическую структуру белка OCPX бактерии Gloeobacter. Оказалось, что OCPX, подобно другим вариантам OCP,— это двухдоменный белок, содержащий во внутренней полости единственную молекулу каротиноида.

Однако в строении древнего OCPX ученые выделили ряд уникальных особенностей, которые вызваны функциональными адаптациями к более ускоренному фотоциклу — способности переходить в активированное светом состояние и обратно в исходную форму. Обнаруженные структурные отличия белка OCPX также показывают возможности по совершенствованию фотосенсора OCP по увеличению его стабильности и надежности работы, что может найти свое применение в области оптогенетики и биотехнологии.

Авторы также проанализировали различия в аминокислотных последовательностях OCPX из разных цианобактерий, в результате чего предложили разделить все варианты этих белков на три подгруппы на основании выявленных отличий в структурных элементах OCP.

Исследование выполнено в рамках проекта «Разработка научно-методической базы для проведения исследований и подготовки кадров при решении структурных и динамических задач фундаментальной и прикладной биологии с использованием современных источников рентгеновского излучения и нейтронов» в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы (соглашение №075–15–2021–1354).

Николай Случанко, доктор биологических наук, руководитель группы «Белок-белковые взаимодействия», и Юрий Слонимский, младший научный сотрудник группы «Белок-белковые взаимодействия» федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН:

— Почему ученые решили исследовать OCPX бактерии Gloeobacter?

— Оранжевый каротиноидный белок, или OCP (от англ. Orange Carotenoid Protein), является крайне привлекательным объектом исследований из-за его способности обратимо менять свою структуру в ответ на воздействие светом (обладает так называемой фотоактивностью), и по своей функции он подобен своеобразному фотодатчику. Такими фотодатчиками обладают почти все цианобактерии, включая крайне примитивную бактерию рода Gloeobacter. В цианобактериях в ответ на воздействие интенсивным синим светом фотодатчик OCP обеспечивает «выключение» светособирающих комплексов, предохраняя клетку от губительного избыточного потока энергии света. Как было указано ранее, белки OCP широко распространены у цианобактерий, однако OCP из Gloeobacter принадлежит практически неописанному подсемейству OCPX (до нашего исследования не было известно ни одной структуры OCPX). Потенциальное применение такого фотодатчика на практике требует понимания его структуры, и мы сфокусировали свои усилия на определении пространственной структуры этого белка и характеристике его свойств.

— Как проходили исследования структуры белка OCPX бактерии Gloeobacter?

— Получение OCPX напрямую из Gloeobacter весьма затруднено из-за крайне медленной скорости роста этой цианобактерии (получение даже 1 мг белка потребовало бы месяцы наработки культуры бактерии при оптимальных условиях). Мы воспользовались методами генной инженерии: ген, кодирующий OCPX из Gloeobacter (GlOCPX), был перенесен в клетки относительно быстро растущей кишечной палочки. После производства GlOCPX в кишечной палочке и нескольких стадий очистки препарат белка был готов к кристаллизации, необходимой для расшифровки его структуры. Мы перепробовали значительное число условий, и нам удалось подобрать такие, в которых белок образовывал кристаллы. Кристаллы были подвергнуты облучению рентгеном, что дало возможность определить структуру белка. Кроме того, нами была проделана значительная работа по определению функциональных характеристик данного белка, количественно описана его способность к фотоактивации.

— Что они показали?

— Исследования показали, что белок GlOCPX обладает целым рядом структурно-функциональных особенностей, выгодно отличающих его от ранее описанных представителей OCP. GlOCPX может функционировать в широком диапазоне температур, обусловленных наличием в структуре механизмов стабилизации белковой молекулы. Для лучшего понимания того, что именно мы обнаружили, необходимо кратко пояснить, как устроен OCP: OCP представляет собой двухдоменный белок (то есть он состоит из двух функциональных частей, соединенных цепью из аминокислотных остатков), внутри полости которого расположена молекула пигмента, обеспечивающего окраску белка и способность к фотоактивации. Одним из ключевых отличий в GlOCPX и является эта соединяющая цепь — она очень жестко и плотно прилегает к поверхности доменов, скрепляя их вместе. Включение такого жесткого элемента позволяет манипулировать функционированием OCP, что в будущем может стать основой для его прикладного применения.

— Что такое оптогенетика и каков потенциал использования белков OCP в ней?

— Оптогенетика — одно из выдающихся направлений биологии ХХI века. Основной его принцип — использование фотоактивных белков для регуляции физиологических процессов. Одним из главных применений в данный момент является нейрофизиология. Первым был придуман метод, позволяющий активировать нейроны при помощи света и таким образом изучать, как они работают, и управлять нервными импульсами. Кроме того, существуют проекты по применению фотоактивных белков, где можно будет менять состав веществ, синтезируемых растениями, просто посветив на них светом с определенной длиной волны. OCP является перспективным белком для использования в оптогенетике, так как мы детально описали его поведение при фотоактивации. В будущем можно использовать белок OCP для активации различных генов под воздействием синего света (максимум поглощения белка — ~450–500 нм).

— Как можно использовать полученное открытие в биотехнологии?

— Биотехнологическое применение OCP может включать в себя как его способность регулировать функционирование клетки под действием света, так и собственно свойство данного белка делать исключительно жирорастворимый каротиноид растворимым в воде. Каротиноиды — это широко распространенные и эффективные антиоксиданты, однако их применение и производство осложнены их физико-химическими свойствами: они не растворяются в воде, неохотно усваиваются с пищей и крайне быстро выгорают на свету в отсутствие стабилизирующих факторов. Все эти проблемы могут решить водорастворимые каротиноид-связывающие белки, одним из которых является OCP. В будущем производство, хранение и доставка каротиноидов могут быть существенно облегчены и улучшены специфичными каротиноид-связывающими белками.