Сольватохромные соединения — эффективные зонды для биологических исследований благодаря своей способности «чувствовать» изменения в молекулярном окружении. Ученые МФТИ впервые показали возможность отслеживания структурных изменений в белках с помощью новых сольватохромных красителей. Визуализировать «танец» белков — проследить за конформационными перестройками макромолекул под действием меняющегося молекулярного окружения — специалистам удалось на примере рековерина и аденозинового рецептора A2A (A2AAR). Полученные данные могут стать платформой для создания эффективного инструмента по изучению поведения различных белков и рецепторов.
Работа опубликована в журнале iScience. «Сольватохромные красители — это соединения, которые способны менять свои спектральные свойства — поглощение и флуоресценцию — в зависимости от окружения. Этот эффект возникает из-за взаимодействия молекул хромофора с молекулами растворителя, что приводит к изменению энергии электронных переходов в молекуле красителя», — поясняет младший научный сотрудник лаборатории структуры и динамики биомолекул МФТИ Анатолий Белоусов.
Ученые предположили, что присоединение такого рода хромофорных молекул к белкам сделает возможным отслеживание конформационных изменений при связывании лигандов благодаря сольватохромным свойствам флуорофора. Такие изменения достаточно легко отследить с помощью спектральных методов, поэтому предложенный подход может служить удобным инструментом для изучения поведения белков.
В ходе экспериментов ученые получили несколько красителей, являющихся аналогами хромофора зеленого флуоресцентного белка (GFP). После проверки наличия сольватохромных свойств у всех красителей в средах с различной полярностью авторы присоединили флуорофоры к бычьему рековерину, принадлежащему к семейству нейрональных кальций-сенсорных (NCS) белков.
Он играет ключевую роль в процессах регуляции фоторецепции в сетчатке глаза. Этот белок удобен для спектроскопических исследований, так как обладает всего одним цистеином, по которому происходит покраска белка, и при активации происходят значительные структурные перестройки, что должно сказаться на локальном окружении флуорофоров. В результате половина красителей показала изменения флуоресценции, вызванные конформационными изменениями рековерина при связывании молекул кальция.
Далее ученые оценили возможность использования отобранных флуорофоров для отслеживания структурных изменений в рецепторах, связанных с G-белком (GPCRs), на примере A2AAR. Наиболее подходящим оказался краситель DyeC, который продемонстрировал изменения как в интенсивности, так и в форме спектров эмиссии флуоресценции при связывании A2AAR с лигандами различных типов.
«Похожие эффекты наблюдались ранее у других распространенных красителей, чувствительных к локальному окружению, однако амплитуда изменений у красителя DyeC существенно выше. С помощью методов молекулярного моделирования нам удалось объяснить причины такого уникального поведения в случае наших хромофоров. Самое важное отличие заключается в том, что DyeC способен “чувствовать” аллостерические лиганды, влияние которых на белок раньше не детектировалось сольватохромными метками», — пояснил заведующий лабораторией структуры и динамики биомолекул МФТИ Валентин Борщевский. Ученый отметил, что увеличение интенсивности эмиссии флуоресценции при активации A2AAR cвязано с появлением более доступного гидрофобного окружения для DyeC, куда краситель заходит и, таким образом, тратит больше энергии на излучение, а не на вращение в растворителе.
Таким образом, исследование продемонстрировало, что сольватохромные красители эффективны для выявления структурных изменений в рецепторах, связанных с G-белком (GPCRs), которые регулируют многочисленные физиологические процессы (зрение, воспаление, передачу нервного импульса) и являются одной из самых популярных молекулярных мишеней для лекарств. Полученные результаты открывают новые возможности для изучения структуры и динамики GPCRs, которые будут способствовать улучшению понимания работы этих важнейших белков и созданию на этой основе новых терапевтических средств. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.