罕见蓝色冷冻视紫红质：开启光遗传学新纪元的分子开关

柯万列夫（Kirill Kovalev）是欧洲分子生物学实验室汉堡分部（EMBL Hamburg）的博士后研究员，同时也隶属于EMBL-EBI的巴特曼组（Bateman Group）。作为一名物理学家兼生物学家，他对解决生物学问题充满热情，尤其对视紫红质感兴趣。视紫红质是一种色彩斑斓的蛋白质，能够帮助水生微生物利用阳光获取能量。在研究过程中，柯万列夫发现了一种新奇的视紫红质，这些蛋白质仅存在于极端寒冷的环境中，如格陵兰的冰川和西藏高原，以及芬兰永久冰冷的地下水体中。为了突出其独特性，他将其命名为“低温视紫红质”（cryorhodopsins）。 低温视紫红质的发现纯属偶然。柯万列夫在浏览在线蛋白数据库时，注意到了这些蛋白质的一个特殊结构特征。尽管它们分布在数千公里之外的寒冷地带，但彼此间几乎相同，这让他意识到这些蛋白质对于生物在寒冷环境中的生存可能具有重要意义。通过进一步研究，柯万列夫发现低温视紫红质不仅颜色多样，还有一部分呈现罕见的蓝色。这项研究发表在《科学进展》杂志上。 通常情况下，视紫红质的颜色由其分子结构决定，而低温视紫红质的独特蓝色源自柯万列夫最初发现的那个结构特征。这一发现使科学家们能够设计出更多合成的蓝色视紫红质，用于更复杂的光遗传学应用。为了验证低温视紫红质的功能，研究团队将这些蛋白引入培养的脑细胞中，发现它们在受到紫外线照射时可以引发细胞内部的电活动。紧接着，如果用绿光照射，细胞变得更加兴奋；而用紫外红光照射，则会减少细胞的兴奋性。 参与研究的哥廷根大学医学中心（University Medical Center Göttingen）的托拜亚斯·莫泽（Tobias Moser）表示：“新的光遗传学工具能高效地控制细胞的电活动，这对科研、生物技术和医学领域都将产生重大影响。”例如，他的团队正在研发一种新的光学耳蜗植入器，旨在通过光遗传学技术恢复患者的听力。低温视紫红质的多功能性为未来的应用开发提供了广阔的前景。 进一步研究表明，低温视紫红质不仅能够感知紫外线，还在细胞信号传递中扮演了重要角色。研究团队发现，低温视紫红质基因总是与一个编码未知功能的小蛋白基因相伴出现，这很可能意味着这两个基因共同进化并且功能相关。通过人工智能工具AlphaFold的预测，他们证实五份小蛋白会形成一个环并与低温视紫红质相互作用。当低温视紫红质检测到紫外线时，小蛋白可能会离开并携带这一信号进入细胞内部。 柯万列夫认为，低温视紫红质之所以进化出这种独特的双重功能，可能是为了帮助微生物抵御有害的紫外线辐射。在高海拔寒冷地区，紫外线强度往往很强，低温视紫红质可能帮助细菌及时感知紫外线，从而采取保护措施。“这些非凡分子的发现证明了前往偏远地区的科学考察对于理解当地生态适应机制的重要性。”柯万列夫补充道。 低温视紫红质的研究采用了多种前沿技术，包括X射线晶体学、冷冻电子显微镜（cryo-EM）和光激活蛋白。这些技术的运用克服了低温视紫红质高度相似且对光线极其敏感的难题。EMBL汉堡分部P14光束线团队的全力支持，使得该项目得以顺利进行。 低温视紫红质的发现为光遗传学技术的发展提供了潜在的新工具，可能在未来的研究中发挥重要作用。此外，对这些蛋白质的研究也揭示了冷适应微生物如何应对紫外线辐射的进化机制。柯万列夫的团队将继续探索这些分子的更多应用潜力及其生物学意义。 业内评价及公司背景： 这一发现受到了神经科学和生物医学领域的广泛关注和好评。欧洲分子生物学实验室（EMBL）作为全球领先的分子生物学研究机构，拥有一流的技术平台和研究团队，为该研究项目的成功奠定了基础。科学家们认为，低温视紫红质的多功能性将极大推动光遗传学技术的发展，未来有望应用于疾病的治疗和生物科学研究。