Петербургские химики создали сенсоры мембранного потенциала клеток
Метод усиления свечения белков-сенсоров для отслеживания мембранного потенциала клеток разработала группа ученых из Санкт-Петербурга, 30 июля сообщает пресс-служба Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).
Разработка, выполненная учеными СПбГУ, Санкт-Петербургского политехнического университета и Санкт-Петербургского национального исследовательского академического университета РАН им. Ж. И. Алферова, может применяться при создании лекарственных препаратов, а также для медицинских исследований мозга и сердца.
Клеточная мембрана представляет собой структуру из белков и липидов, отделяющую внутреннюю часть клетки организма для сохранения ее целостности от внешней среды.
Отслеживание изменений мембранного потенциала клетки (разности электрических потенциалов внутренней и внешней сторон клеточной мембраны) важно для исследований в биологии и медицине, так как они играют ключевую роль при передаче нервных импульсов, мышечном сокращении и других физиологических процессах.
Мембранный потенциал возникает из-за неравномерного распределения ионов внутри и снаружи клетки, причем характеристики его изменения меняются при возникновении патологий, в том числе у раковых клеток этот показатель значительно ниже, чем у здоровых.
Для изучения изменений мембранного потенциала клеток можно использовать специальные флуоресцентные белки-сенсоры, которые при помощи генной инженерии вводятся в клетку. Под воздействием света они начинают светиться, а интенсивность свечения зависит от величины мембранного потенциала.
Этот метод дает возможность наблюдать процессы, происходящие в клетке, в режиме реального времени, но слабость флуоресценции таких белков ограничивает возможности их применения.
Научная группа из Санкт-Петербурга разработала способ значительно усилить свечение белков. Для этого ученым пришлось объединить несколько подходов и использовать методы направленной эволюции и компьютерного конструирования.
Для своих исследований биохимики взяли фоточувствительный мембранный белок археородопсин 3, обнаруженный у архей Halorubrum sodomense (Arch), однако используемый подход будет работать и с другими белками.
Руководитель проекта, доцент кафедры медицинской химии СПбГУ доктор химических наук Михаил Рязанцев рассказал о ходе работы над проектом:
«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».
Моделирование позволило выявить отличия между разными формами белков и выбрать из них варианты сенсоров с наиболее ярким свечением для изучения мембранного потенциала, пояснил Михаил Рязанцев.
Он уточнил, что в процессе направленной эволюции последовательно генерируются «поколения» мутантных форм белков со случайным распределением аминокислотных замен. Но на каждом этапе отбираются белки, более соответствующие выбранному направлению эволюции — в их случае это были белки с наибольшей яркостью свечения, которые далее использовались для создания нового поколения.
При таком подходе можно получить «улучшенные» белки, даже не имея данных об их структуре и механизмах, которые контролируют те или иные свойства. Однако он не гарантирует получения самого оптимального набор аминокислотных замен. Это часто происходит и в природе — процесс эволюции не всегда создает оптимальный набор характеристик организма.
По результатам компьютерного моделирования химики СПбГУ выявили те модификации (аминокислотные замены в белке), которые позволят усилить яркость флуоресценции.
«Полученные нами белки-сенсоры — мутантные формы археородопсина 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.
Новые белки-сенсоры могут применяться в биомедицинских исследованиях, например, при изучении работы мозга и сердца с помощью флуоресцентного микроскопа. Увеличение яркости свечения таких белков позволит с помощью такого микроскопа отследить самые быстрые изменения потенциала отдельных нейронов.
Они будут полезны и при разработке лекарств для лечения заболеваний мозга, в том числе болезни Паркинсона и эпилепсии, а также при создании препаратов для терапии сердечно-сосудистых заболеваний и для диагностики различных патологий, считают разработчики.
Результаты исследования петербургских ученых представлены в статье «Рациональное конструирование флуоресцентных в области дальнего красного света генетически кодируемых индикаторов напряжения на основе археородопсина-3: от выяснения механизма флуоресценции у Arch до новых вариантов с красным смещением», опубликованной в журнале ACS Physical Chemistry Au.
