Оптогенетика: когда свет решает

Оригинальная статья выложена в паблике Биология

Текст: Александр Модестов

Иллюстрации: Карина Арасланова

Редактор: Дмитрий Виноградов

Технология оптогенетики позволяет целенаправленно, быстро и точно контролировать биологические системы с помощью внешнего стимула — света. В 2010 году оптогенетику признал «методом года» престижный журнал Nature Methods, и с тех пор ее активно применяют в разных областях [1]. Например, в нейробиологии теперь можно стимулировать нейроны, используя ионные каналы, которые активируются под действием света! Свет как инструмент управления биологическими процессами имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами: он не токсичен для клеток, дешев и позволяет сменять состояния ВКЛ/ВЫКЛ в обе стороны (это называется динамическая обратимость). На сегодня около 800 (!) исследовательских работ доступно на онлайн-платформе OptoBase (www.optobase.org), которая специализируется на молекулярной оптогенетике.

На этом сайте собран широкий набор оптогенетических инструментов, доступных для разных модельных организмов. Эта машинерия позволяет с помощью света управлять множеством клеточных процессов: от экспрессии генов до внутриклеточной локализации белков. Но за счёт чего организмы вообще воспринимают свет?

Свет поглощают специальные молекулы – пигменты – благодаря наличию в них хромофорных групп (именно они улавливают электромагнитное излучение и придают окраску соединению). Пигменты, такие как хлорофилл, каротиноиды и фикобилины, хорошо известны по фотосинтезу, в котором энергия электромагнитного излучения превращается в энергию органических соединений. Кратко этот процесс можно описать так: свет поглощается молекулами пигментов в светособирающей антенне, затем энергия возбуждения передается реакционному центру, который содержит хлорофилл. В реакционном центре происходит фотохимическая реакция – разделение зарядов – и выбитый электрон поступает в электрон-транспортную цепь.

Однако пигмент-белковые комплексы, называемые фоторецепторами, могут участвовать не только в процессах фотосинтеза. Под воздействием света эти комплексы изменяют свою пространственную структуру, что активирует каскад молекулярных реакций. Перечислим процессы, в которых ещё участвуют фоторецепторы.

• Эндогенная (внутренняя) регуляция у растений, которая проявляется через синтез фитогормонов.
• Изменение свойств клеточных мембран через изменение электрохимических характеристик.
• Непосредственное действие светового излучения на генетический аппарат, когда возбуждённые фоторецепторы запускают или тормозят синтез определённых белков. Предполагается, что поглощённый квант света переводит фоторецепторный белок в активную форму. Это событие запускает сигнал, передаваемый на уровне мембран и цитозоля и поступающий в ядро клетки к ДНК. Сигнал изменяет активность гена (активирует или подавляет синтез информационной РНК и, как следствие, белков). Об это пункте и пойдёт речь дальше.

Естественно, без пигментов фоторецепторы не могут правильно менять свою конформацию, поэтому пигменты ещё называют кофакторами – небелковыми соединениями, без которых невозможна нормальная работа белка. Теперь давайте разберёмся, как работают несколько оптогенетических систем с их составляющими.

Первая оптогенетическая система, разработанная для контроля экспрессии генов с помощью света, была реализована в пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae) в 2002 году [2]. Эта система основана на взаимодействии между двумя соединениями: одним из фоторецепторов растения арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) под названием фитохром B (PhyB) и его контактирующим соединением, фактором взаимодействия фитохрома 3 (PIF3). Кофактором в этом случае является фикоцианобилин из класса фикобилинов. Связь образуется при воздействии красным светом (длина волны 660 нм).

Важно, что взаимодействие PhyB-PIF3 обратимо, то есть переход между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ зависит от длины волны воздействующего излучения. Ключевой момент в работе оптогенетического переключателя – изменения в структуре PhyB под действием красного света, которое и позволяет ему связываться с PIF3.