极地微生物的蓝色秘密：新型低温视紫红质开拓神经科学研究新领域

想象一下格陵兰壮观的冰川、西藏高原永恒的白雪以及芬兰永久冰冷的地下水。对于结构生物学家科瓦列夫（Kirill Kovalev）而言，这些寒冷而美丽的自然景观不仅仅是美景，而是孕育着奇特分子的摇篮，这些分子有可能用于控制脑细胞的活动。 科瓦列夫是EMBL汉堡施耐德研究小组和EMBL-EBI巴特曼研究小组的EIPOD博士后研究员。作为一名物理学家，他热衷于解决生物学问题，尤其是研究视紫红质（rhodopsins），一类在水生微生物中常见的蛋白质，使这些微生物能够利用阳光获取能量。科瓦列夫的研究重点是寻找不寻常的视紫红质并理解它们的功能。他说：“这类分子可能具有未被发现的功能，我们可以从中受益。” 通过多年的研究，科瓦列夫自认为对视紫红质已经了如指掌，直到他在在线蛋白数据库中发现了一组独特的、仅存在于极寒环境中的视紫红质。这让他十分困惑，因为在通常情况下，视紫红质多见于海洋和湖泊，而非冰川和高山。然而，这一新的视紫红质家族尽管分布在数千公里之外的地方，却几乎完全相同。科瓦列夫推测，这种一致性可能是为了适应寒冷环境生存而进化出的独特机制。因此，他将其命名为“cryorhodopsins”（冷视紫红质）。 科瓦列夫进一步探究了冷视紫红质的颜色和工作机制。大多数视紫红质呈粉橙色，反射粉橙色光，吸收绿蓝光以激活自己。科瓦列夫在实验室检测时发现，冷视紫红质展现出多样化的颜色，尤其包括科学家们一直梦寐以求的蓝色。通过先进的结构生物学技术，科瓦列夫确定蓝色的原因是一开始在数据库中发现的罕见结构特征。他兴奋地表示：“现在我们已经了解了其变成蓝色的机制，下一步就可以设计合成蓝色视紫红质，以满足各种应用需求。” 科瓦列夫的研究团队还在培养的脑细胞中测试了冷视紫红质的活性。结果显示，当表达冷视紫红质的细胞暴露在紫外线（UV）下时，会引发细胞内部的电信号。若随后用绿光照射，细胞变得更加兴奋；若改用紫外线/红光，则会降低细胞的兴奋性。参与研究的哥廷根大学医学中心的小组负责人托比亚斯·莫泽（Tobias Moser）表示：“新型的光遗传学工具能够有效控制细胞的电信号，这对于研究、生物技术和医学都极具价值。比如在我领导的小组中，我们正在开发新的光学人工耳蜗，有望通过光遗传学恢复患者的听力。将冷视紫红质开发为多功能工具是一个重要的未来研究方向。” 科瓦列夫还发现了冷视紫红质的另一独特功能——感知紫外线。他的合作者来自法兰克福歌德大学的约瑟夫·瓦赫特韦尔（Josef Wachtveitl）团队，显示冷视紫红质在光线较弱的环境中也能检测到紫外线。此外，科瓦列夫与西班牙阿利坎特的研究团队合作，注意到冷视紫红质基因旁边常伴随一个编码未知小蛋白的基因，可能是作为信息传递分子的作用。 冷视紫红质为何在极寒环境中进化出这种双功能特性仍然是一个谜。科瓦列夫推测，这可能是因为细菌需要感知有害的紫外线，并采取保护措施。在高海拔等寒冷环境中，细菌面临的紫外线辐射非常强烈，冷视紫红质可能帮助它们识别紫外线并启动自我保护机制。他说：“在这些偏远地区开展科学考察，研究生活在那里的生物如何适应环境，是发现这种奇特分子的关键。” 科瓦列夫及其合作者在揭示冷视紫红质独特结构和功能的过程中遇到了许多技术挑战，如冷视紫红质对光的极端敏感性，迫使研究人员在几乎完全黑暗的条件下操作样本。但这些努力最终取得了一定成果，为未来的光遗传学研究提供了新的可能性。 业内人士认为，冷视紫红质的发现不仅为神经科学研究带来了新的工具，也为光遗传学领域的发展注入了新的动力。光遗传学技术在未来医疗领域的潜力巨大，尤其是在疾病诊断和治疗方面。 EMBl汉堡和EMBL-EBI等机构在先进结构生物学技术方面的领先地位，使得这项研究得以成功。