Группа ученых Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из СПбПУ и СПбАУ РАН имени Алферова создала метод усиления свечения белков-сенсоров, которые позволяют отслеживать мембранный потенциал клеток.
Как отметили в пресс-службе вуза, разработка может быть использована при создании лекарственных препаратов, а также для медицинских исследований мозга и сердца.
Клеточная мембрана – это особая структура, состоящая из белков и липидов, которая отделяет содержимое клетки живого организма от внешней среды и позволяет сохранить ее целостность. В биологии и медицине особое внимание уделяется изучению изменений мембранного потенциала, то есть разницы в электрическом потенциале между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны. Эта разница возникает из-за неравномерного распределения ионов внутри и снаружи клетки.
Изменение мембранного потенциала играет ключевую роль в передаче нервных импульсов, мышечном сокращении и других физиологических процессах, необходимых для функционирования организма. Эта характеристика изменяется при возникновении патологий. Например, у раковых клеток этот показатель значительно ниже, чем у здоровых.
Один из способов изучения изменений мембранного потенциала клеток – использование специальных флуоресцентных белков. С помощью методов генной инженерии такие белки вводят в клетку, и они начинают светиться под воздействием света, причем интенсивность свечения определяется величиной мембранного потенциала. Такой подход позволяет наблюдать происходящие в клетке процессы в режиме реального времени, однако из-за слабого сигнала возможности применения флуоресцентных белков-сенсоров ограничены.
Ученые нашли способ значительного усиления свечения белков, объединив несколько подходов и используя методы направленной эволюции и компьютерного дизайна.
В своей работе химики исследовали фоточувствительный мембранный белок археородопсин-3, однако используемый подход может применяться и при разработке других белков.
«В предыдущих исследованиях более яркие варианты сенсоров мембранного потенциала на основе археородопсина-3 находили, используя метод направленной эволюции, то есть имитируя процесс эволюции «в пробирке». Мы использовали набор относительно ярких мутантных форм этого белка, полученный ранее, и построили их цифровые двойники с помощью методов квантовой химии и биоинформатики. Это позволило определить отличия между разными формами белков и предложить новые, более яркие варианты сенсоров для изучения мембранного потенциала», – сказал руководитель гранта доцент кафедры медицинской химии СПбГУ доктор химических наук Михаил Рязанцев.
Как объяснил химик, в процессе направленной эволюции последовательно генерируются «поколения» мутантных форм белков со стохастическим (то есть случайным) распределением аминокислотных замен. На каждом этапе отбираются наиболее «приспособленные» белки, в данном случае белки с наибольшей яркостью свечения. Именно они используются для создания нового поколения. Такой подход позволяет ученым получить «улучшенные» белки даже при отсутствии данных об их структуре и механизмах, которые контролируют те или иные свойства. Однако, как отмечают авторы работы, при таком подходе не всегда удается получить самый оптимальный набор аминокислотных замен, как и в процессе эволюции не всегда формируется оптимальный набор характеристик организма.
Опираясь на результаты компьютерного моделирования, химики определили, какие модификации – аминокислотные замены в белке – позволят усилить яркость свечения. Оказалось, что основное отличие ярких вариантов сенсоров от тусклых заключается в состоянии протонирования двух аминокислотных остатков. Один из них протонирован в ярком состоянии, а другой в тусклом, а переключение происходит за счет переноса протона по «проводу» из молекул воды, которые ученые нашли с помощью методов компьютерного моделирования.
«Полученные нами белки-сенсоры – мутантные формы археоропсина-3 – имеют ряд преимуществ по сравнению с уже известными вариантами. Они обладают значительно более яркой флуоресценцией, для их активации можно использовать красный лазер, поскольку нам удалось сдвинуть спектр их поглощения в длинноволновую область. Такое излучение лучше проникает в биологические ткани, что более перспективно для последующего применения этих белков в медицине», – добавил научный сотрудник кафедры медицинской химии СПбГУ Дмитрий Николаев.
Усовершенствованные варианты сенсоров могут найти применение в биомедицинских исследованиях, в частности при изучении работы мозга и сердца с помощью флуоресцентного микроскопа. Белки с увеличенным свечением позволяют с помощью специального микроскопа отслеживать даже самые быстрые изменения потенциала отдельных нейронов. Кроме того, разработанные белки-сенсоры могут быть полезны при разработке лекарств для лечения заболеваний мозга, таких как болезнь Паркинсона и эпилепсия, при создании препаратов для терапии сердечно-сосудистых заболеваний, а также для диагностики различных патологий.
Ранее петербургские ученые создали сенсор, который поможет выявить риск заболеваний желудочно-кишечного тракта.