극한의 빛 스위치, 북극 미생물이 신경과학을 혁신하다

그린란드의 장엄한 빙하, 티베트 고산지대의 영원한 눈, 핀란드의 영구적으로 차가운 지하수. 이들 지역은 아름답지만, 구조생물학자 키릴 코발레프에게는 그보다 더 중요한 의미가 있다. 이들은 특이한 분자를 발견할 수 있는 장소로, 이러한 분자는 뇌세포 활동을 조절할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 코발레프는 EMBL 헤임부르크의 슈나이더 연구팀과 EMBL-EBI의 배테만 연구팀에서 포스트닥터로 재직 중인 물리학자로, 생물학적 문제 해결에 열정을 가지고 있다. 그는 특히 수중 미세생물이 태양광을 에너지로 전환하는 데 사용되는 색소 단백질인 로돕신에 큰 관심을 가지고 있다. "저의 연구에서는 특이한 로돕신을 찾아 그들이 어떤 역할을 하는지 이해하려고 노력합니다,"라고 코발레프는 말한다. "이런 분자는 우리가 아직 알지 못하는 기능을 가지고 있을 수 있어, 우리에게 도움이 될 것입니다." 몇몇 로돕신은 이미 세포 내 전기 활동을 조절하기 위한 광전도 스위치로 변형되어 사용되고 있다. 이 기술은 광유전학(optogenetics)이라고 불리며, 신경과학자들이 실험 도중 특정 뉴런의 활동을 선택적으로 조절하는 데 사용된다. 다른 기능을 가진 로신, 예를 들어 효소 활성을 가진 로신은 빛으로 화학 반응을 조절하는 데 사용될 수도 있다. 로신을 수년간 연구하면서 코발레프는 자신이 로신을 완벽하게 이해하고 있다고 생각했다. 그러다 그는 빙하와 고산지대 등 매우 차가운 환경에서만 발견되는 미지의 로신 그룹을 발견하게 되었다. "이건 이상해,"라고 그는 생각했다. 로신은 보통 바다와 호수에서 발견되는데, 이들 로신은 그런 곳이 아닌 차가운 환경에서 발견되었다는 것이 특이했다. 이들 차가운 환경 로신은数千公里外进化而来，但彼此之间几乎相同。这绝非巧合。它们必须对在寒冷环境中生存至关重要，科瓦列夫因此将它们命名为“cryorhodopsins”。 每个罗돕辛的颜色是其分子结构决定的，这种结构决定了它吸收和反射的光波长。科瓦列夫惊讶地发现，他在实验室检查的cryorhodopsins展示了意想不到的色彩多样性，其中一些甚至是蓝色的。 “我其实只要看看cryorhodopsin的颜色就能知道它的状态，”科瓦列夫笑着说。 通过应用先进的结构生物学技术，他发现这些蓝色罗辛的秘密在于最初在蛋白质数据库中发现的罕见结构特征。现在了解了使其变蓝的原因，科瓦列夫表示：“我们可以设计合成的蓝色罗辛，以适应不同的应用需求。” 接下来，科瓦列夫的合作者们在培养的脑细胞中测试了cryorhodopsins。当表达cryorhodopsins的细胞暴露在紫外光下时，细胞内产生了电流。有趣的是，如果随后用绿光照射细胞，细胞变得更加兴奋；而如果用紫外/红光，则会降低细胞的兴奋性。 “能够高效地开关细胞电活动的新光遗传学工具在研究、生物技术和医学领域将极其有用，”参与该研究的哥廷根大学医学院研究组长托比亚斯·莫瑟说。“例如，在我的团队中，我们正在开发新的光学人工耳蜗，可以为患者恢复听力。未来的研究将致力于开发这种多用途罗辛的实用性。” “我们的cryorhodopsins还没有准备好作为工具使用，但它们是一个优秀的原型。基于我们的发现，它们具备所有关键特性，可以通过工程设计变得更适用于光遗传学，”科瓦列프补充道。 进化中的紫外线保护器 哥廷根大学医学院的合作者们，包括来自法兰克福歌德大学的约瑟夫·瓦赫特韦特尔领导的团队，使用先进的光谱技术证明了cryorhodopsins即使在汉堡的雨天也能感知紫外线。瓦赫特韦特尔的团队还发现，cryorhodopsins是对光反应最慢的罗辛之一。这一发现使科学家们怀疑cryorhodopsins可能像光传感器一样，让微生物“看到”紫外线——这是其他罗辛不具备的特性。 “它们真的能做到这一点吗？”科瓦列夫一直在问自己。典型的传感器蛋白通常与一个信使分子合作，将信息从细胞膜传递到细胞内部。 科瓦列夫与来自西班牙阿利坎特的合作者以及他的EIPOD共同导师亚历克斯·贝特曼一起，注意到cryorhodopsin基因总是伴随着编码一种未知功能的小蛋白的基因。他们认为这两个基因可能是共同继承的，并且可能存在功能联系。 科瓦列夫推测这个小蛋白可能是缺失的信使。利用AI工具AlphaFold，研究团队展示了五个小蛋白副本可以形成一个环并与cryorhodopsin相互作用。根据他们的预测，小蛋白在细胞内紧挨着cryorhodopsin。他们相信，当cryorhodopsin检测到紫外线时，小蛋白可能会离开并携带这一信息进入细胞内部。 “揭示cryorhodopsins如何将光敏感信号传递给细胞其他部分的新机制非常令人振奋。了解未表征蛋白的功能总是令人激动。事实上，我们在不含有cryorhodopsin的生物中也发现了这些蛋白，这可能暗示这些蛋白在更广泛的范围内具有多种功能。”科瓦列프说道。 为什么cryorhodopsins会在寒冷环境中进化出这种惊人的双重功能仍然是个谜。 “我们怀疑cryorhodopsins之所以进化出独特的特性，不是因为寒冷，而是为了帮助微生物感知紫外线，紫外线对它们是有害的，”科瓦列夫说。“在山顶等寒冷环境中，细菌面临强烈的紫外线辐射。cryorhodopsins可能帮助它们感知紫外线，从而保护自己。这一假设与我们的发现非常吻合。” “要发现这样的非凡分子，没有科学探险对生活在遥远地区的生物适应性的研究是不可能的，”科瓦列夫补充道。“我们可以从中学到很多！” 揭示cryorhodopsins的独特生物学特征，科瓦列프和他的合作者们克服了多个技术挑战。其中之一是cryorhodopsins在结构上几乎完全相同，即使是单个原子位置的微小变化也可能导致不同的性质。因此，研究这些分子需要超越标准实验方法。科瓦列夫采用了4D结构生物学方法，结合EMBL汉堡P14光束线的X射线晶体学和荷兰格罗宁根阿尔伯特·古斯코夫研究组的冷冻电子显微镜(cryo-EM)，以及蛋白质的光激活技术。 “实际上，我选择在EMBL汉堡做博士后是因为这里独特的光束线设置能够支持我的项目，”科瓦列夫说。“整个P14光束线团队共同努力，为我的实验量身定制了设备——我非常感谢他们的帮助。” 另一个挑战是cryorhodopsins对光极为敏感。因此，科瓦列夫的合作者们不得不在几乎完全黑暗的条件下进行样本操作。 Industry insiders and company profiles: 이 연구는 차가운 환경에서 살아남기 위해 진화한 미생물의 로신을 활용하여 신경과학 분야에서 혁신적인 발전을 가져올 수 있음을 시사한다. 특히, cryorhodopsins의 다중 기능성은 광유전학 도구 개발에 큰 잠재력을 제공하며, 미래 의료 기술에도 응용 가능하다. EMBL과 같은 선도적인 연구 기관들이 이러한 연구를 지원함으로써, 생명 과학 분야의 새로운 발견이 이루어지고 있다.