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- 線蟲的逃逸信號：人工智能有助于闡明新型光傳感器的結構
- 來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2023/8/14
圖形摘要。當代生物學（2023 年）。DOI： 10.1016/j.cub.2023.07.008
在堆肥堆中，線蟲秀麗隱桿線蟲發(fā)現(xiàn)了一張擺放豐富的桌子：蠕蟲的長度僅為一毫米，以分解有機物質(zhì)的細菌為食。動物須避免陽光照射，而不僅僅是確保其身體保持在良好溫度并且不會變干。
富含能量的藍光和紫外線會對透明蠕蟲的細胞造成損害，導致遺傳分子DNA突變，或?qū)е逻^氧化氫（H2O2).例如，后者可以阻止蛋白質(zhì)的正確產(chǎn)生并驅(qū)動細胞死亡。實驗室觀察表明，秀麗隱桿線蟲反射性地從光束中退出。
線蟲沒有眼睛，但它的一些感覺神經(jīng)元含有蛋白質(zhì)LITE-1，它以迄今為止未知的方式將光感覺轉化為生化信號，觸發(fā)戒斷反射。由法蘭克福歌德大學的Alexander Gottschalk教授，馬克斯普朗克生物物理研究所和歌德大學的Gerhard Hummer教授以及Flatiron Institute的Sonya Hanson博士領導的一組科學家現(xiàn)在已經(jīng)闡明了LITE-1的結構和功能。
為此，他們使用了“AlphaFold2-Multimer”軟件，這是一種人工智能，能夠根據(jù)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復合物的氨基酸構建塊序列預測蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復合物的結構。他們的發(fā)現(xiàn)：LITE-1是一種所謂的通道蛋白，它位于細胞膜中并形成一種孔，帶電粒子（即離子）可以通過該孔穿過膜。
“人工智能工作得很好，并為LITE-1提出了一個合理的結構，”Alexander Gottschalk說�！霸陔S后的基因?qū)嶒炛�，我們繼續(xù)檢查基于這種結構的預測是否也可以在活線蟲及其對光的反應中得到驗證。為此，研究人員特異性地突變了LITE-1中的單個氨基酸，并觀察了對光誘發(fā)行為的后果。
他們發(fā)現(xiàn)，除其他外，形成通道的氨基酸的替換導致LITE-1的功能完全喪失。其他突變實驗揭示了蛋白質(zhì)可以與H相互作用的位點2O2還發(fā)現(xiàn)了一種中心氨基酸，它似乎負責吸收紫外線產(chǎn)生的能量。
Gerhard Hummer解釋說：“看起來LITE-1包含一個完整的氨基酸網(wǎng)絡，像天線一樣排列，以捕獲紫外線光子的能量并將其傳遞到蛋白質(zhì)的中心位置。在這里，位于一個空腔，該空腔又可以用作發(fā)色團的結合袋 - 即可以吸收光子或其能量的分子。
研究人員的模型假設，這種未知的發(fā)色團還受到藍光的直接刺激，然后將所有能量轉移到LITE-1蛋白上，導致離子通道的打開和離子流入細胞。較高的離子濃度成為生化電信號的起點，觸發(fā)反沖反射。
亞歷山大·戈特沙爾克補充說，它顯然在H2O2由細胞中的光暴露誘導也存在：“H 對 LITE-1 的額外激活2O2確保后坐力反射不會由弱光觸發(fā)，而只會由非常強烈的組織損傷光觸發(fā)，例如陽光直射。
LITE-1構成了一種非常簡單的光感知形式。Gottschalk說，與昆蟲嗅覺受體的比較表明，LITE-1來源于這種嗅覺受體，它可能巧合地結合了一種分子，該分子也可以吸收光，從而向動物發(fā)送有害光的警告信號。
Gottschalk強調(diào)了這種受體對光遺傳學研究領域的重要性，該領域是在光依賴性離子通道（稱為“通道視紫紅質(zhì)”）的發(fā)現(xiàn)和規(guī)范后在法蘭克福共同創(chuàng)立的。光遺傳學領域提供了在細胞中使用光控開關來研究細胞功能的可能性。
“我們分析的LITE-1和類似蛋白質(zhì)都可以用作新的光遺傳學工具，使我們能夠?qū)⒐庾V擴展到紫外線范圍。計算生物物理學家索尼婭·漢森（Sonya Hanson）看到了研究方法的未來巨大潛力：“我們使用的人工智能現(xiàn)在非常好，無需費力的生化工作，我們?nèi)匀豢梢粤私馓囟ǖ鞍踪|(zhì)的工作原理。
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