La protéine KR2¹ transporte les ions sodium chargés positivement hors de la cellule, une faculté que les chercheurs en optogénétique ne parviennent pas à exploiter. Jusqu'à présent, la structure atomique et le mécanisme d'action de KR2 n'étaient pas connus. Ce défi, les chercheurs de l'IBS, du Moscow Institute of Physics and Technology (Russie) et de l'Institute of Complex Systems (Forschungszentrum Jülich, Allemagne) l'ont relevé en utilisant des techniques de cristallographie à rayons X. Ils ont ainsi obtenu la reconstitution 3D exacte de la structure atomique de KR2, ainsi que la structure du complexe moléculaire qu'elle forme en conditions physiologiques.

La structure de KR2 présente des caractéristiques originales, dont une partie hélicoïdale recouvrant l'entrée extracellulaire de la pompe, comme un couvercle. Une caractéristique qui intéresse particulièrement les chercheurs est la structure inhabituelle de la cavité de chargement des ions du côté intracellulaire. Elle est inhabituellement large et en protrusion dans le cytoplasme par rapport à la surface de la membrane. Cette structure pourrait agir comme un filtre à l'origine de la sélectivité de KR2 pour les ions sodium.

Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont modifié la structure de ce « filtre » en changeant les acides aminés spécifiques de ce site moléculaire par mutations ciblées. Non seulement KR2 perd effectivement sa compétence vis-à-vis des ions sodium, mais une de ces mutations transforme KR2 en pompe à potassium photosensible – une première du genre.

Ces résultats sont particulièrement intéressants pour des applications potentielles en optogénétique : un neurone activé revient normalement à un état de repos en laissant sortir des ions potassium à travers des canaux ioniques dans sa membrane. Une pompe  potassium KR2 mutée pourrait être utilisée pour « éteindre » à volonté, grâce à des impulsions lumineuses, un neurone actif. Elle constituerait alors un système de contrôle précis à disposition des chercheurs.

Les auteurs de l'étude travaillent maintenant au développement d'une méthode d'intégration par transfection² de ce système dans différents types de neurones, et notamment à l'amélioration de l'adressage de ces protéines dans la membrane plasmique des neurones transfectés.

1. En 2013, des scientifiques travaillant sur la bactérie marine Krokinobacter eikastus ont découvert, dans la membrane de cette bactérie, une protéine servant de transporteur d'ion et de type inconnu. Baptisée KR2, elle appartient à un groupe de protéines devenues les piliers de la recherche « optogénétique » : exposées à la lumière, cette famille de protéines permet, en transportant des particules chargées à travers la membrane cellulaire, de modifier le potentiel électrique des cellules.
2. Processus de transfert de gènes, c'est-à-dire l'introduction directe de matériel génétique dans des cellules