Группа ученых Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из СПбПУ и СПбАУ РАН имени Ж.И. Алферова создала метод усиления свечения белков-сенсоров, которые позволяют отслеживать мембранный потенциал клеток. Разработка может быть использована при создании лекарственных препаратов, а также для медицинских исследований мозга и сердца. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ и посвященного празднованию 300-летия СПбГУ, опубликованы в научном журнале ACS Physical Chemistry Au, а статья размещена на обложке печатной версии издания.
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 современной 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 Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из других научно-образовательных организаций 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», — рассказал руководитель гранта, доцент кафедры медицинской химии СПбГУ доктор химических наук Михаил Рязанцев.
Как объяснил химик Санкт-Петербургского университета, 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 СПбГУ 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 СПбГУ 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», — объяснил 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.
В работе использовалась инфраструктура уникального центра коллективного пользования — Научного парка СПбГУ: ресурсные центры «Развитие молекулярных и клеточных технологий», «Оптические и лазерные методы исследования вещества», а также оборудование МГУ имени М.В. Ломоносова и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
