Исследователи описывают первые молекулярные процессы в глазу, когда свет попадает на сетчатку

Исследователи из PSI Института Пауля Шеррера расшифровали молекулярные процессы, которые впервые происходят в глазу, когда свет попадает на сетчатку. Процессы, которые занимают лишь доли триллионных долей секунды, необходимы для человеческого зрения. Исследование опубликовано в научном журнале Природа.

Это всего лишь микроскопическое изменение белка в нашей сетчатке, и это изменение происходит в невероятно короткие сроки: это самый первый шаг в нашем восприятии света и способности видеть. Это также единственный светозависимый шаг. Исследователи PSI точно установили, что происходит после первой триллионной секунды в процессе зрительного восприятия, с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах SwissFEL компании PSI.

В основе действия лежит наш рецептор света, белок родопсин. В человеческом глазу его производят сенсорные клетки, палочки, специализирующиеся на восприятии света. В середине родопсина закреплена небольшая изогнутая молекула: ретиналь, производное витамина А. Когда свет попадает на белок, ретиналь поглощает часть энергии. Затем с молниеносной скоростью он меняет свою трехмерную форму, так что переключатель в глазу переключается с «выключено» на «включено». Это запускает каскад реакций, общий эффект которых заключается в восприятии вспышки света.

Связанный, но свободный

Но что происходит в деталях, когда сетчатка трансформируется из так называемой 11-цис-формы в полностью-трансформу? «Мы знали о начальной точке и конечном продукте трансформации сетчатки в течение некоторого времени, но до сих пор никому не удавалось наблюдать в режиме реального времени, как именно происходит изменение пигмента зрения родопсина», — говорит Валери Паннельс, исследователь. ученый отдела биологических и химических исследований PSI.

Паннилс сравнивает этот процесс с кошкой, падающей с дерева спиной вперед, но каким-то образом приземляющейся на лапы невредимой. «Вопрос в том, какие состояния принимает кошка во время падения, когда она пытается приземлиться на лапы?»

Как обнаружили ученые PSI, «ретинальная кошка» начинает с поворота средней части своего тела. Для Валери Паннилс «момент озарения» наступил, когда она осознала кое-что еще, что происходит: белок поглощает часть световой энергии, чтобы ненадолго надуться — «подобно тому, как наша грудь расширяется, когда мы вдыхаем, только чтобы вскоре после этого снова сжаться. »

Во время этой стадии «вдоха» белок временно теряет большую часть своего контакта с сетчаткой, которая находится в его середине. «Хотя сетчатка по-прежнему соединена с белком на своих концах химическими связями, теперь у нее есть место для вращения». В этот момент молекула напоминает собаку на поводке, которая может рвануть.

Вскоре после этого белок снова сокращается и снова крепко держит сетчатку, но теперь уже в другой, более вытянутой форме. «Таким образом сетчатке удается поворачиваться, не подвергаясь влиянию белка, в котором она удерживается».

Один из самых быстрых природных процессов

Преобразование сетчатки из 11-цис-изогнутой формы в полностью транс-удлиненную форму занимает всего пикосекунду, или одну триллионную (10^-12) секунды, что делает его одним из самых быстрых процессов во всей природе.

Единственный способ записи и анализа таких быстрых биологических процессов — это рентгеновский лазер на свободных электронах, такой как SwissFEL. «SwissFEL позволяет нам детально изучать фундаментальные процессы человеческого тела, такие как зрение», — говорит Гебхард Шертлер, глава отдела биологических и химических исследований PSI и соавтор исследования вместе с Валери Паннельс.

Возвращаясь к аналогии с кошкой, это было бы похоже на съемку ее падения высокоскоростной камерой, но с одним существенным отличием: скорость съемки камеры SwissFEL в миллион раз выше. Работа с крупными исследовательскими центрами также требует гораздо большего, чем простое нажатие кнопки спуска затвора. Доктор философии Студент Томас Грул, который впоследствии работал научным сотрудником в Институте структурной и молекулярной биологии в Лондоне, потратил годы на разработку метода производства высококачественных кристаллов родопсина, способных предоставлять данные со сверхвысоким разрешением. В конечном итоге только эти данные позволили провести необходимые измерения на SwissFEL и — до того, как SwissFEL был построен — на рентгеновском лазере на свободных электронах SACLA в Японии.

Этот эксперимент еще раз показывает жизненно важную роль SwissFEL в швейцарских исследованиях. «Вероятно, это поможет нам найти еще много решений в будущем», — говорит Гебхард Шертлер. «Среди прочего мы также разрабатываем методы исследования динамических процессов в белках, которые обычно не активируются светом». Ученые используют искусственные средства, чтобы сделать такие молекулы чувствительными к свету: либо вносят соответствующие изменения в партнеров по связыванию, либо смешивают белки с партнерами по связыванию в кристалле так быстро, что их можно исследовать в SwissFEL. В любом случае, эта процедура определенно намного сложнее, чем просто наведение камеры на кошку, падающую с дерева.