Известно, что при ориентировании в воздушном пространстве Земли перелетные птицы полагаются на её магнитное поле. Одна из основных гипотез, объясняющих этот процесс, состоит из предположения, что белок криптохром в организме птиц, который способен реагировать на синий и ультрафиолетовый свет, позволяет им благополучно делать это.
Тем не менее, многие из этих животных мигрируют ночью, когда мало доступного света. Так что долгое время было не ясно, как криптохром будет функционировать у птиц в условиях отсутствия солнечного света.
Недавнее исследование, проведенное Юго-Западным медицинским центром США в сотрудничестве с Южным методистским университетом (ЮМУ), скорее всего, дало ответ на эту загадку, передает сайт Phys.org.
Исследователи обнаружили, что криптохромы перелетных птиц развили механизм, который увеличивает их способность реагировать на свет и позволяет им чувствовать магнитные поля.
«Мы смогли показать, что криптохром чрезвычайно эффективен при сборе и реагировании на низкие уровни света», – сказал химик ЮМУ Брайан Д. Золтовски, который был одним из ведущих авторов научной работы, опубликованной в журнале PNAS в сентябре. «Результатом этого исследования является то, что мы теперь понимаем, как криптохромы позвоночных могут реагировать на очень низкие показатели интенсивности света и функционировать в условиях ночного времени».
Криптохромы встречаются как у растений, так и у животных, и ответственны за циркадные ритмы (циклические колебания интенсивности различных биологических процессов) у разных видов. В случае с птицами, ученые сосредоточили основное внимание на изучении необычного белка глаза, называемого CRY4, который является частью класса криптохромов.
Лаборатория Джозефа Такахаши, эксперта по циркадным ритмам в Юго-Западном медицинском центре, работала с группой ученых над очисткой и определением кристаллической структуры белка – первой атомной структуры фотоактивной молекулы криптохрома из позвоночных. Лаборатория Брайана Золтовского, эксперта в области фоторецепторов синего света, изучала эффективность реакций, управляемых светом – определяя путь, уникальный для белков CRY4, который облегчает функционирование в условиях слабого освещения.
Светочувствительность и возможность влияния магнитного поля на CRY4 делают этот специфический криптохром очень интересной молекулой.
«У растений и насекомых криптохромы, как известно, в большинстве случаев фотоактивны, то есть они всегда реагируют на солнечный свет. А среди позвоночных подобных видов известно гораздо меньше, и большинство криптохромов у них не проявляют фотоактивности», – сказал Такахаши, председатель отделения нейробиологии.
Ученые взяли образец CRY4 у голубя и вырастили кристаллы белка. Затем они подвергли кристаллы воздействию рентгеновских лучей, что позволило им определить местоположение всех атомов в белке.
Хотя голуби не являются типичными птицами ночной миграции, последовательности их белков CRY4 очень похожи, отмечается в исследовании.
«Эти структуры позволяют нам на атомном уровне визуализировать функционирование белков, и понять, как они могут использовать синий свет для определения магнитных полей», – сказал Золтовски, доцент химии в Гуманитарном колледже Дедмана ЮМУ. «Новые структуры также предоставляют первые атомные данные о том, как работают белки, открывая дверь для более детальных исследований криптохромов у мигрирующих организмов».
В исследовании ученые обнаружили необычные изменения в ключевых областях структуры белка, которые могут повысить их способность воспринимать свет из окружающей среды.
«Криптохромы работают, поглощая фотон света, который заставляет электрон проходить через последовательность аминокислот. Цепочки обычно состоят из 3-4 аминокислот и работают как провод, через который могут течь электроны», – пояснил Золтовский , «Но у голубей, как было установлено, эта цепочка может быть расширена до 5 аминокислот».
Подобная мутация электронной цепи у голубей делает криптохром менее зависимым от среды обитания птицы, богатой видимым светом для активации белка.
«Птицы разработали механизм для повышения эффективности. Поэтому, даже когда вокруг очень мало света, у них достаточно генерируемого сигнала для миграции в ночное время», – сказал Золтовски.
