Ученые МФТИ сумели изменить рН клетки с помощью света

Кислотность цитоплазмы клеток человека, важнейшего параметра внутренней среды организма, научились изменять с помощью света ученые Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, пишет 8 февраля журнал МФТИ «За науку».

Кислотность среды внутри живых клеток численно выражается с помощью показателя pH. Величина его в организме строго регулируется, поэтому значительные отклонения от нормального значения рН в цитозоле клеток человека могут говорить, например, о злокачественной трансформации клеток или же способствовать их гибели.

(Цитозоль клетки — часть цитоплазмы, раствор белков, углеводов (глюкозы) и ионов, заполняющий внутреннее пространство клетки.)

Чтобы регулировать извне кислотность клетки, исследователи МФТИ воспользовались инструментарием оптогенетики — научного направления, в котором для контроля определенных функций живых клеток исследователи используют светочувствительные белки.

Об основных результатах исследования и их возможного применения рассказала младший научный сотрудник лаборатории молекулярной клеточной биологии и оптогенетики МФТИ, кандидат биологических наук Анастасия Власова.

В оптогенетике основными инструментами контроля служат микробные родопсины — мембранные белки, способные под действием света переносить ионы через биологические мембраны. В микробных родопсинах можно выделить по их функциям большую группу протонных помп или насосов, которые переносят ионы водорода (протоны) в область их большей концентрации, то есть «против градиента концентрации».

Эти белки перекачивают протоны через мембраны под действием света. Причем существуют такие помпы, которые перекачивают ионы в двух направлениях. Прямые протонные помпы переносят протоны из клетки наружу. Обратные помпы, наоборот, закачивают протоны в клетку. Перенос ионов против градиента требует затрат энергии. Родопсин в качестве такой энергии использует свет.

«Для целей контроля рН клеток человека нам было необходимо отобрать наиболее эффективные, мощные помпы из тех, с которыми мы работали. Для этого мы встроили гены этих белков в бактерии Escherichia coli и „заставили“ клетки бактерий произвести родопсины в плазматической мембране», — рассказала Анастасия Власова.

Свет инициирует родопсин, который «включает» перекачку протонов, и показатель рН клетки изменяется. Таким образом, насколько хорошо работают его протонные помпы, можно проверить по показателю рН суспензии клеток E. coli. Однако для выбора наиболее эффективных насосов исследователям нужно было определить их количество в клетке.

Но поскольку родопсины — это цветные белки, то есть они поглощают свет в видимом диапазоне, измерить поглощение суспензии клеток и определить наиболее мощные прямую и обратную помпу исследователям помог спектрофотометр.

Анастасия Власова пояснила, зачем исследователям были нужны эти помпы: «Дело в том, что рН цитозоля в клетках человека является жизненно важным параметром. В норме рН цитозоля составляет около 7,2 и не меняется более чем на несколько десятых. Отклонения рН цитозоля от нормального значения наблюдаются при ряде заболеваний. Причем отклонения могут быть как в одну, так и в другую сторону. Более щелочная цитоплазма наблюдается, например, у раковых клеток. Более кислая цитоплазма, наоборот, способствует клеточной гибели, например гибели нейронов».

Отсюда возникла гипотеза о том, что защелачивание цитоплазмы клеток вызывает их ускоренное деления, а закисление — наоборот, остановку и, возможно, гибель. Ученые МФТИ в этом исследовании поставили задачу с помощью оптогенетических инструментов подтвердить или опровергнуть данную гипотезу.

«В нашей работе, — продолжила Власова, — мы впервые смогли осуществить закисление цитозоля клеток HeLa при помощи мощной обратной протонной помпы ксеродоропсина из археи Nanosalina sp. Причем это закисление мы могли производить в нормальных, физиологических для клетки условиях. Мы также смогли изменять рН и в другую сторону, то есть защелачивать цитозоль с помощью прямой протонной помпы из археи Halorubrum sodomense».

(HeLa — специально выведенная для научных исследований линия «бессмертных» клеток.)

Примененный исследователями МФТИ оптогенетический подход имеет огромные преимущества перед традиционными химическими агентами для исследований значения рН клетки, которые могут вызвать побочные эффекты. К таким преимуществам относятся высокая скорость и точность воздействия, а также малоинвазивность по отношению к клетке.

«Сейчас мы продолжаем работу по исследованию физиологических последствий оптогенетического изменения рН цитозоля. В клетке все взаимосвязано, поэтому изменение рН ведет к целому каскаду последствий. Понять значения изменений внутриклеточного рН в норме и при патологии, а также установить верные причинно-следственные связи с использованием оптогенетического подхода — основная задача данных исследований», — завершила свой расказ Анастасия Власова.

Результаты исследования предложенного учеными МФТИ метода контролирования рН цитозоля клеток были представлены в статье «Оптогенетическое подкисление цитозоля клеток млекопитающих с использованием родопсина с внутренней протонной накачкой», опубликованной в International Journal of Biological Macromolecules.