Investigation of photoactivation mechanisms of archaerhodopsin-3 voltage-sensitive fluorescent derivatives

Abstract

Выпускная квалификационная работа посвящена определению механизма, отвечающего за потенциал-зависимость флуоресценции бактериального родопсина археородопсина-3 и его производных. Актуальность работы заключается в том, что археородопсин-3 и его производные, полученные путем внесения в белок аминокислотных замен, широко используются в оптогенетических исследованиях для визуализации активности нейронов, что возможно благодаря уникальным характеристикам флуоресценции данных белков, интенсивность которой зависит от величины мембранного потенциала клетки. Определение механизма, ответственного за потенциал-зависимость флуоресценции археородопсина-3 и его производных позволяет проводить рациональное конструирование новых производных археородопсина-3 с оптимальными для оптогенетических применений свойствами. В работе, которая была проведена с использованием как экспериментальных спектроскопических методов, биотехнологических методов и методов компьютерного моделирования, были получены следующие результаты – было определено состояния белка, фотоактивация которого приводит к возникновению флуоресцентного сигнала, были определены механизмы стабилизации данного состояния; был определен механизм, определяющий потенциал-зависимость флуоресценции белка.

The master thesis is devoted to the investigation of the mechanism that governs the potential dependence of fluorescence in microbial rhodopsin archaerhodopsin-3 and its derivatives. This topic is relevant because archaerhodopsin-3 and its derivatives are widely used in optogenetic studies for the visualization of neural activity, which is possible due to the unique properties of fluorescence these proteins possess, the intensity of fluorescence intensity depends on the value of cell membrane potential. Determining the mechanism that governs the potential dependence of the fluorescence in archaerhodopsin-3 and its derivatives allows for performing the rational design of new archaerhodopsin-3 derivatives with the optimal optical properties for optogenetic applications. In the current study experimental spectroscopic methods, biotechnology methods, and computational modeling methods were used. In the current study the following results were obtained – the state of the protein, which leads to fluorescence upon photoactivation, was determined, the mechanisms that stabilize this state were determined; the mechanism which governs potential-dependence of archaerhodopsin-3 fluorescence was determined