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2025-07-06 22:54:00
凍結と珍しい中央チャネルの五量体アーキテクチャ。 （a）洗剤ミセルとナノディスクにおけるcryor1五層の全体的な見解。 （b）細胞質側からcryor1五層を見る。 （c）cryor1の中央チャネルの側面図。 （d）結晶中のcryor2ペンタマーの全体的な見解。 （e）細胞質側からのcryor1ペンタマーでの表示。 （f）cryor1の中央チャネルの側面図。 C末端は暗い赤です。 – 科学の進歩
グリーンランドの壮大な氷河、チベットの高山の永遠の雪、フィンランドの永久に氷のように冷たい地下水を想像してください。寒くて美しいように、構造生物学者のキリル・コバレフにとって、それらはより重要なことに、脳細胞の活性を制御できる異常な分子の本拠地です。
EMBL HamburgのSchneider GroupとEMBL-EBIのBateman GroupのEipod Postdoctoral FellowであるKovalevは、生物学的問題の解決に情熱を傾ける物理学者です。彼は特に、水生微生物がエネルギーのために日光を利用できるようにするカラフルなタンパク質のグループであるロドプシンに夢中です。
「私の仕事では、珍しいロドプシンを探して、彼らが何をしているのかを理解しようとします」とコヴァレフは言いました。 「そのような分子には、私たちが恩恵を受けることができる未発見の機能があるかもしれません。」
クレオルホドプシンは、冷たい微生物に見られるタンパク質のグループです。彼らは、クレジットダニエラベラスコ/emblのオンとオフのセルラー電気活動を変える驚くべき能力を持っています
一部のロドプシンは、細胞内の電気活動のための光操作スイッチとして機能するようにすでに修正されています。光遺伝学と呼ばれるこの手法は、実験中に神経活動を選択的に制御するために神経科学者によって使用されます。酵素活性など、他の能力を持つロドプシンは、たとえば光との化学反応を制御するために使用できます。
ロドプシンを何年も勉強してきたコバレフは、彼が以前に見たものとは違った新しい、あいまいなロドプシンのグループを発見するまで、それらを裏返しに知っていると思っていました。
それはしばしば科学で起こるように、それは偶然に始まった。オンラインのタンパク質データベースを閲覧している間、Kovalevは、氷河や高山などの非常に寒い環境でのみ見られる微生物ロドプシンに共通する珍しい機能を発見しました。 「それは奇妙だ」と彼は思った。結局のところ、ロドプシンはあなたが一般的に海や湖で見つけるものです。
これらの寒冷気候のロドプシンは、数千キロ離れたところに進化したにもかかわらず、互いにほぼ同じでした。これは偶然ではありませんでした。彼らは寒さの中で生き残るために不可欠であるに違いありません、コバレフを結論付け、これを認めるために、彼はそれらを「cryorhodopsins」と名付けました。
ブルーからのロドプシン
Kovalevは、これらのロドプシンがどのように見えるか、どのように機能するか、特にそれらがどんな色であるかを知りたいと考えていました。
色は各ロドプシンの重要な特徴です。ほとんどはピンクオレンジ色です – ピンクとオレンジ色の光を反射し、緑と青の光を吸収し、それらを活性化します。科学者は、異なる色のロドプシンのパレットを作成するよう努めているため、より精度で神経活動を制御できるようになりました。青いロドプシンは、それらがより深く非侵襲的に組織に浸透する赤い光によって活性化されるため、特に求められています。
Kovalevの驚きに、彼が研究室で調べたCryorhodopsinsは、予想外の色の多様性を明らかにしました。
各ロドプシンの色は、その分子構造によって決定され、吸収して反射する光の波長を決定します。この構造の変更は、色を変える可能性があります。
「実際に、Cryorhodopsinが色を見るだけで何が起こっているのかを知ることができます」とKovalevは笑いました。
高度な構造生物学の技術を適用して、彼は青色の秘密がタンパク質データベースにも最初に発見されたのと同じまれな構造的特徴であることを理解しました。
凍結の系統。 （a）MRSの最尤系統樹。このツリーには、（1）で報告されている2199のシーケンス、（17）で報告されたDSEロドプシンの3つのシーケンス、および現在の研究で見つかった40の凍結者のシーケンスが含まれています。 （b）凍結を含む木の枝の拡大ビュー。 BRのT46に対応する位置にあるヘリックスBのアミノ酸残基は、先端に示されています。 （c）凍腸輪および近くのDSEおよびACIロドプシンクレードの系統樹の長方形表現。左下隅の挿入図は、cryor1-5、dse、およびaci rhodopsinsの7文字のモチーフのアミノ酸を示しています（番号付けはcryor1に対応しています）。ユニークなアルギニン（cryor1のR57）は、明確にするために箱入りです。 – 科学の進歩
「何が青くなっているのかを理解したので、さまざまなアプリケーションに合わせた合成ブルーのロドプシンを設計できます」とKovalev氏は述べています。
次に、Kovalevの協力者は、培養された脳細胞のCryorhodopsinsを調べました。クライホドプシンを発現する細胞がUV光にさらされると、それらの内部に電流が誘発されました。興味深いことに、研究者がその後緑色の光で細胞を照らした場合、細胞はより興奮しましたが、代わりにUV/赤色光を使用すると、細胞の興奮性が低下します。
「オン」と「オフ」の両方のセルの電気活動を効率的に切り替えるための新しい光遺伝学的ツールは、研究、バイオテクノロジー、医学に非常に役立つでしょう」と、研究に参加した大学医療センターのグループリーダーであるトビアスモーザーは述べました。 「たとえば、私のグループでは、患者の聴覚を視覚的に回復できる患者向けの新しい光学co牛インプラントを開発します。将来の応用のためにこのような多目的ロドプシンの有用性を開発することは、次の研究にとって重要な作業です。」
「私たちのCryorhodopsinsはまだツールとして使用する準備ができていませんが、それらは優れたプロトタイプです。それらは、私たちの調査結果に基づいて、光遺伝学のためにより効果的になるように設計できるすべての重要な機能を備えています」とKovalev氏は述べています。
EvolutionのUVライトプロテクター
ハンブルクでの雨の冬の日でさえ日光にさらされたとき、クリオルホドプシンは、ジョセフ・ワクトヴェイトルが率いるゲーテ大学フランクフルトのコバレフの協力者による高度な分光法を使用して示されているように、紫外線を感知することができます。 Wachtveitlのチームは、Cryorhodopsinsが実際に光に対する反応においてすべてのRhodopsinsの中で最も遅いことを示しました。これにより、科学者は、これらのクリオルホドプシンが、微生物に「紫外線」を「見る」という光センサーのように作用する可能性があると疑わせました。
「彼らは本当にそれをすることができますか？」コバレフは自問し続けた。典型的なセンサープロテインは、細胞膜から細胞内の細胞に情報を渡すメッセンジャー分子と協力します。
Kovalevは、スペインのAlicanteの協力者とEMBL-EBIのAlex BatemanのAlex Batemanと一緒に、Cryorhodopsin遺伝子が常に、未知の機能の小さなタンパク質をコードする遺伝子を伴い、おそらく官能的に結びついている可能性があることに気づきました。
Kovalevは、これが行方不明のメッセンジャーかもしれないかどうか疑問に思いました。 AIツールAlphaFoldを使用して、チームは小さなタンパク質の5つのコピーがリングを形成し、Cryorhodopsinと相互作用することを示すことができました。彼らの予測によると、小さなタンパク質は細胞内のクライホドプシンに落ち着いています。彼らは、CryorhodopsinがUV光を検出すると、小さなタンパク質が出発してこの情報を細胞に持ち込むことができると考えています。
「クリオルホドプシンからの光感受性シグナルを細胞の他の部分に渡すことができる新しいメカニズムを明らかにすることは魅力的でした。特徴のないタンパク質の機能が何であるかを学ぶのは常にスリルです。
Cryorhodopsinsが驚くべき二重機能を進化させた理由、そして寒い環境でのみである理由は、謎のままです。
「Cryorhodopsinsは、寒さのためではなく、微生物に紫外線を感知するために、独自の機能を発展させたと思われます。 「山の頂上などの寒い環境では、細菌は激しい紫外線に直面しています。クリオルホドプシンは、彼らがそれを感じるのに役立つかもしれないので、彼らは自分自身を守ることができます。この仮説は私たちの発見とよく一致しています。」
「これらのような並外れた分子を発見することは、しばしば遠隔地への科学的遠征がなければ、そこに住む生物の適応を研究することはできません」とKovalevは付け加えました。 「私たちはそれから多くを学ぶことができます！」
ユニークな分子へのユニークなアプローチ
クリオルホドプシンの魅力的な生物学を明らかにするために、コバレフと彼の協力者はいくつかの技術的課題を克服しなければなりませんでした。
1つは、Cryorhodopsinsの構造がほぼ同じであり、単一の原子の位置にわずかな変化でさえ、異なる特性をもたらす可能性があるということでした。このレベルの詳細で分子を研究するには、標準的な実験方法を超える必要があります。 Kovalevは、4D構造生物学的アプローチを適用し、EMBLハンブルクビームラインP14とクライオエレクトロン顕微鏡（CRYO-EM）でX線結晶学を組み合わせて、オランダのGroningenのアルバートガスコフのグループで、タンパク質活性化を光によるものとしました。
「私は実際に、私のプロジェクトを可能にしたユニークなビームラインのセットアップのために、EMBLハンブルクでポスドクをすることを選択しました」とKovalev氏は言います。 「P14ビームラインチーム全体が協力して、セットアップを私の実験に合わせて調整しました。彼らの助けにとても感謝しています。」
もう1つの課題は、Cryorhodopsinsが光に非常に敏感であることです。このため、Kovalevの協力者は、ほぼ完全な暗闇の中でサンプルを使用することを学ばなければなりませんでした。
Cryorhodopsins：寒い環境からの微生物ロドプシンのグループの包括的な特性、科学の進歩（オープンアクセス）
宇宙生物学、
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