Узнать температуру внутри клетки и тем более в ее отдельных компонентах затруднительно, ведь даже самые маленькие термометры слишком велики для этого. Новый инструмент для решения этой задачи предложили ученые из России, использовавшие термочувствительный краситель — фосфорный комплекс порфирина, люминесценция которого зависит от температуры.
Температура сильно влияет на множество химических, а значит, и биохимических процессов. Ученым давно известно об этой связи — ее описывает, например, правило Вант-Гоффа, сформулированное еще в XIX веке.
Более того, многие биологические молекулы чрезвычайно «привередливы» к свойствам раствора, в котором находятся. Одни легко разрушаются от перегрева (денатурация белка), другие перестают работать при понижении температуры. Температурный фактор также важно изучать, поскольку он играет важную роль при развитии некоторых болезней и нормальных физиологических процессов вроде сперматогенеза.
И если температуру отдельных органов и тканей померять несложно, то на уровне клеток с этим возникают трудности. Нетрудно догадаться, что любой прибор слишком велик для этой задачи, к тому же может нарушить естественное состояние клетки во время измерений.
К этому вопросу обратился коллектив российских химиков, опубликовавших статью в журнале Sensors and Actuators A: Physical. Они испытали особую флуоресцентную молекулу — комплекс порфирина с пятивалентным фосфором (фосфором (V)), «молекулу-градусник».
Порфирины — довольно сложные органические соединения, состоящие из четырех одинаковых частей-пирролов. Каждая такая молекула представляет собой «кольцо», внутрь которого обращены атомы азота или группы -NH. На основе этой структуры живые клетки создают гем (в составе гемоглобина и цитохромов) и хлорофилл — ключевую молекулу для фотосинтеза.
Теперь ученые нашли таким соединениям новое применение. Они синтезировали модифицированный комплекс порфирина с фосфором, обозначенный как MPyPP(OH)2. Он растворим в воде и представляет собой катион. Авторы уверены, что создали перспективный инструмент для внутриклеточной термометрии — то есть оценки определения температуры внутри клетки.
Это возможно благодаря тому, что испускаемый люминесцентной молекулой MPyPP(OH)2 свет меняется в зависимости от температуры. Точнее, изменяется характерное время люминесценции, то есть ее продолжительность. Ранее подобные свойства выявили у ряда химических соединений с различной структурой.
Новый термосенсор протестировали на культурах клеток, нашедших широкое применение в лабораториях. Это клетки яичника китайского хомячка CHO и HeLa, полученные из опухоли шейки матки. Показано, что MPyPP(OH)2 имеет хорошее температурное разрешение, позволяя различать разницу в одну десятую градуса.
Исследователи также установили, что на изменения люминесцентного сигнала комплекса влияет то, насколько прочными связями соединены два его компонента — фосфор и порфирин. А это, в свою очередь, определяется свойствами окружающего раствора, в том числе температурой.
«Благодаря сотрудничеству с коллегами из Санкт-Петербурга ранее было установлено, что спектр люминесценции этих соединений в физиологическом диапазоне температур (30-44 градуса) и времена жизни люминесценции зависят от температуры. В нашей новой работе мы показали, что этот метод хорошо работает и в живых клетках. Параллельно был выявлен необычный факт — при введении порфиринов фосфора в клетку они дефосфорилируются в результате взаимодействия с белками с образованием биосовместимых фосфатов. Фактически после доставки синтезированных нами молекул в клетки мы измеряем люминесценцию свободного порфирина, не содержащего фосфора, и далее исходя из спектра люминесценции определяем внутриклеточную температуру. В дальнейшем мы планируем расширить круг исследуемых порфиринов для повышения чувствительности подобных молекулярных термометров», — прокомментировала академик РАН Юлия Горбунова.