Întrerupătoare de lumină înghețate: Cum ar putea microbii arctici revoluționa neuroștiința

Cercetătorii au realizat o caracterizare detaliată a unui nou grup de rodopsine microbiene, denumit CrioRodopsine (CryoRs), identificate în bacterii din medii reci. Cercetarea, desfășurată printr-o combinație de bioinformatică, spectroscopie și microscopie crio-EM, a fost publicată în revista Science Advances.
Rodopsinele microbiene (MRs) sunt proteine membranare sensibile la lumină, implicate în transportul de ioni, fototaxie și semnalizare. Ele sunt răspândite în toate cele trei domenii ale vieții și chiar în viruși. Clasificarea lor filogenetică este în continuă expansiune datorită metagenomicii, ceea ce permite descoperirea unor noi clade funcționale. CryoRs reprezintă o astfel de cladă nou identificată, asociată cu bacterii psihrofile din familia Microbacteriaceae, precum Cryobacterium și Subtercola.

Despre studiul actual

Cercetătorii au identificat CryoRs pe baza unui motif funcțional de șapte aminoacizi, în care poziția corespunzătoare T46 din bacteriorodopsina clasică este ocupată de o arginină unică. Analiza a inclus 40 de secvențe proteice distincte, identificate exclusiv în microbi din medii reci (gheață, zăpadă, regiuni alpine).

Studiul a inclus cinci CryoRs reprezentative (CryoR1–CryoR5), care diferă prin secvențele motivului funcțional. Aceste proteine au fost caracterizate prin:

• Spectroscopie UV-Vis și ultrarapidă;
• Fotocicluri lente dominate de stări intermediare absorbante în UV (M1 și M2);
• Structuri de rezoluție înaltă prin crio-EM și cristalografie cu raze X;
• Electrofiziologie pentru caracterizarea transportului protonic;
• Analiza genomului contextual pentru a identifica transductori posibili asociați CryoR.

Rezultate

Caracteristici spectrale și cinetice

• Toate CryoRs studiate prezintă fotocicluri lente, cu stări intermediare de tip M ce persistă până la zeci de minute.
• Starea M2 este albastru-deplasată (~400 nm) și se acumulează ușor la lumina ambientală sau UV.
• CryoR1 prezintă un comportament unic cu oscilații coerente în starea activată și un deplasament spectral mare (~80 nm) la scăderea pH-ului.

Structură moleculară

• CryoRs formează oligomeri pentamerici cu un canal central atipic, blocat parțial de prelungirea C-terminală.
• Regiunea legării retinenei este complet uscată (fără molecule de apă interne), un aspect rar întâlnit.
• Arginina caracteristică (R57 în CryoR1) se reorientează în timpul ciclului fotochimic, stabilizând starea M2 prin bariera electrostatică față de reprotonarea Schiff.

Transport ionic și răspuns fotodependent

• CryoR1 funcționează ca o pompă protonică slabă de tip inward, activată de lumină albă cu componentă UV.
• Experimentele patch-clamp au arătat curenți transmembranari transitori specifici pentru fiecare lungime de undă (500, 620 și 420 nm), sugerând un mecanism dependent de starea spectrală.
• Subpopulațiile spectrale ale stării inițiale sunt sensibile la pH și voltaj, sugerând o adaptare la condiții de mediu variabile.

Mecanisme de stabilizare a stării albastre

Stabilitatea M2 este determinată de:

• Un complex de contraioni carboxilici (E102-D237) ce acționează ca depozit de proton;
• Prezența argininei R57 ce scade pKa-ul atât al Schiff, cât și al donatorului protonic citoplasmatic;
• Blocajele structurale (bariera extracelulară R99 și reorientarea R57) care împiedică reprotonarea rapidă din ambele direcții;
• Mutantul CryoR1-R57T pierde stabilitatea stării M2, confirmând rolul esențial al argininei.

Context genomic și rol biologic

• Analiza genomică a relevat o asociere constantă cu o genă pentru un transductor citoplasmatic (DUF7882), exprimată împreună cu CryoR.
• Structura transductorului prezisă prin AlphaFold3 sugerează formarea unui complex pentameric cu CryoR prin interacțiunea C-terminală.
• Arhitectura amintește de domeniile PH bacteriene, implicate în semnalizare și organizare citoscheletală.

Concluzii

CryoRhodopsinele reprezintă un nou tip de rodopsine microbiene cu trăsături unice: fotociclu lent, activitate protonică slabă inward, stare intermediară albastru-deplasată și un reziduu argininic esențial. Aceste proprietăți le fac candidați promițători pentru aplicații biotehnologice viitoare, în special în optogenetică bidirecțională și stocare optică a datelor, datorită longevității stării M2.