Учёные из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) впервые показали, как рецепторы NMDAR отличают ионы кальция от магния. До сих пор это было загадкой, хотя именно этот механизм лежит в основе обучения и памяти. Профессор Hiro Furukawa, постдок Rubin Steigerwald и их коллеги разобрали его на уровне отдельных молекул, используя криоэлектронную микроскопию (single-particle cryo-EM).
Кальций и магний в ионной форме переносят электрический заряд в мозге. Магний блокирует канал NMDAR, а кальций проходит, когда блок снимается. Проблема в том, что оба элемента расположены рядом в таблице Менделеева и несут одинаковый заряд — различить их почти невозможно. Ключевая разница в том, что магний притягивает воду сильнее, чем кальций. С 1980-х годов учёные подозревали, что именно из-за этого кальций легче проходит сквозь канал, но наблюдать процесс напрямую не давали ни технологии, ни вычислительные мощности.
Steigerwald сконцентрировался на участке канала, который называют Asn cage — это «клетка» из аминокислот, работающая как сито или фильтр. Вне фильтра магний оставался окружённым водой и блокировал проход. Чтобы разглядеть движение отдельных молекул воды, нужна была огромная разрешающая способность. Команда отсняла 50 000 «фильмов» — снимков с разных углов под микроскопом, а затем обработала их на мощных вычислительных кластерах CSHL. Это позволило в реальном времени увидеть, как кальций теряет водную оболочку, проходит сквозь Asn cage и оказывается внутри клетки. Выводы подтвердили и методом электрофизиологии (electrophysiology).
Результаты важны не только для понимания работы памяти. В Asn cage случаются спонтанные мутации, которые приводят к GRIN disorders — тяжёлым нарушениям развития. Больные с такими мутациями часто не говорят, не ходят и страдают от эпилептических припадков. Теперь, когда учёные видят фильтр в деталях, они могут понять, как именно мутации ломают его работу.