Ученые раскрыли принцип работы бактериородопсина на атомном уровне

Бактериородопсин — мембранный белок архей, который играет роль протонной помпы и участвует в синтезе АТФ. Он очень хорошо изучен и перспективен для применения в биомолекулярной электронике и разнообразных направлениях биологии и медицины. Вместе с тем не было до конца понятно, какие изменения на атомном уровне его молекула претерпевает в процессе работы.

«Нам удалось установить, что для того, чтобы белок действовал, в нем должны образовываться “протонные провода”, которые соединяют некие ключевые места, где происходят изменения в этой молекуле. По ним идет передача сигнала и протонов из одного места белка в другое. Бактериородопсин поглощает фотон, за счет этой энергии в нем происходят структурные перестройки, в процессе которых протон оказывается перенесенным с одной стороны мембраны на другую. Чтобы это произошло, аминокислоты, из которых он состоит, неким образом перестраиваются. Вот именно эти перестройки нам удалось увидеть и потом объяснить, почему по этим протонным проводам начинают бежать протоны», — рассказывает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.

Задача зафиксировать конформацию молекулы на атомном уровне «покадрово» достаточно сложна, однако российские и немецкие исследователи с ней справились, задействовав несколько подходов. Основным был метод рентгеноструктурный анализ, позволивший описать строение бактериородопсина, а изменения в процессе работы изучали с помощью спектроскопии. 

Для «захвата» разных состояний молекулы авторы создали специальную методику: кристалл с белком замораживали, а затем светили на него лазером, запуская его активность. Из-за низкой температуры бактериородопсин менял свою изначальную конформацию и замирал. Чтобы его изменения продолжились, авторы немного нагревали кристалл, а затем фиксировали температуру. Белок снова замирал. Такими последовательными шагам авторы смогли зафиксировать все изменения структуры на атомарном уровне.

Исследование длилось несколько лет, за которые ученые смогли отработать методику и преодолели технические сложности, мешавшие построить непротиворечивую теорию. Теперь задача решена, и это поможет в создании новых систем на основе бактериородопсина.