Как и наземные растения, водоросли используют солнечный свет в качестве источника энергии. Многие зеленые водоросли активно передвигаются в воде; они могут приближаться к свету или удаляться от него. Для этого они используют специальные датчики (фоторецепторы), с помощью которых воспринимают свет.
Длившиеся десятилетия поиски этих датчиков света привели к первому успеху в 2002 году: Георг Нагель в то время в Институте биофизики Макса Планка во Франкфурте-на-Майне и его сотрудники обнаружили и охарактеризовали два так называемых каналородопсины водорослей. Эти ионные каналы поглощают свет, затем открываются и транспортируют ионы. Они были названы в честь зрительных пигментов человека и животных, родопсинов.
Теперь известен третий «глаз» водорослей: исследователи обнаружили новый датчик света с неожиданными свойствами. Исследовательские группы профессора Армина Халльманна (Университет Билефельда) и профессора Георга Нагеля (Вюрцбургский университет Юлиуса-Максимилиана, JMU) сообщают об этом открытии в журнале BMC Biology.
Свет снижает производство cGMP
Сюрприз: новый фоторецептор не активируется светом, а тормозится. Это гуанилилциклаза, которая представляет собой фермент, синтезирующий важный мессенджер цГМФ. При воздействии света производство цГМФ резко снижается, что приводит к снижению концентрации цГМФ - именно это и происходит в человеческом глазу, как только родопсин поглощает свет.
Недавно открытый датчик регулируется светом и молекулой АТФ. Такие «двухкомпонентные системы» уже хорошо известны у бактерий, но не у более высокоразвитых клеток. Исследователи назвали новый фоторецептор «двухкомпонентным циклазным опсином», сокращенно 2c-циклоп. Они обнаружили его в двух зеленых водорослях, в одноклеточном Chlamydomonas reinhardtii, а также в многоклеточном Volvox carteri.
Функция показана в ооцитах и водорослях
«В течение многих лет были генетические данные, из которых мы могли сделать вывод, что в зеленых водорослях должно быть намного больше родопсинов, чем два ранее охарактеризованных», - объясняет Георг Нагель. Только у Chlamydomonas reinhardtii двенадцать белковых последовательностей относятся к опсинам, которые являются предшественниками родопсинов.
«Пока никому не удавалось продемонстрировать работу этих световых датчиков», - говорит соавтор Nagels доктор Шицян Гао. Только исследовательским группам из Билефельда и Вюрцбурга это удалось: они установили новый родопсин в ооциты жабы Xenopus laevis и шаровидной водоросли Volvox carteri. В обоих случаях его функция может быть показана и охарактеризована.
Перспективы оптогенетики
Авторы считают, что светочувствительный датчик 2c-Cyclop открывает новые возможности для оптогенетики. С помощью этой методики на деятельность живых тканей и организмов можно воздействовать световыми сигналами. С помощью оптогенетики уже выяснены многие основные биологические процессы в клетке. Например, это позволило по-новому взглянуть на механизмы болезни Паркинсона и других неврологических заболеваний. Она также по-новому взглянула на такие заболевания, как аутизм, шизофрения, депрессия или тревожные расстройства.