Биология

Высокоточный «клеточный термометр» измеряет температуру живых клеток

Трехмерная структура взаимодействия ОКБ — флуоресцентный белок на примере химеры ОКБ-TagGFP.

Eugene Maksimov et al. / Scientific Reports, 2019

Российские ученые разработали удобный в использовании «клеточный термометр» на основе светочувствительного белка. Скорость изменения его структуры сильно зависит от температуры окружения, а сам он является безвредным для клетки. Открытие позволит эффективнее изучать метаболические процессы, а также исследовать различные заболевания, связанные с ними. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Внутриклеточная температура является ключевым параметром для живой клетки, поскольку обусловливает скорость протекания биохимических реакций. Существующие температурные сенсоры предполагают использование флуоресцентных меток — по интенсивностям их свечения можно косвенно определять температуру. Однако такие системы обладают рядом недостатков, на исправлении которых и сосредоточились авторы обсуждаемой статьи.

«Наш метод основан на генетически кодируемом сенсоре, который синтезируется самой клеткой. Это означает, что он не имеет изъянов, которые характерны для органических флуоресцентных красителей, токсичных и вызывающих изменения метаболизма. Более того, точность показаний разрабатываемого нами сенсора не зависит от его концентрации», — рассказал один из авторов работы Евгений Максимов, ведущий научный сотрудник кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Оранжевый каротиноидный белок (ОКБ) — светочувствительный протеин цианобактерий, защищающий их от слишком яркого солнечного света. Ранее авторы обнаружили сильную температурную зависимость скорости изменения цвета этого белка. Однако методы микроскопии не позволяют отслеживать такие «превращения», в связи с чем авторы прибегли к использованию флуоресцентных белков для создания химерной конструкции. Для решения этой задачи методом полимеразной цепной реакции сперва было получено множество копий ДНК, кодирующих светящиеся белки TagGFP и TagRFP, зеленый и красный соответственно.

Затем такие копии вставляли в кольцевую ДНК — вектор — с уже имеющейся в ней последовательностью для производства ОКБ. Полученную конструкцию вносили в штамм кишечной палочки для продукции ею комплексов каротиноидный белок — флуоресцентный белок. При этом получали два типа химер на основе одного и того же ОКБ: в первом TagGFP был присоединен к одному его концу, а во втором TagRFP к противоположному. Такие модификации нужны были для того, чтобы увидеть, как разные типы присоединения меток будут отличаться по свойствам. Для получения готового сенсора в химеры с помощью особых белков доставляли кантаксантин — вещество, принимающее энергию от флуоресцентных белков. Именно этот каротиноид играет роль защитника клетки от воздействия на нее светом, также применяемым в эксперименте.

Полученные сенсоры облучали синим светом, в результате чего ОКБ активировался, а интенсивность свечения флуоресцентного белка в составе химеры менялась. При этом исследовали скорость конверсии при различных температурах. Оказалось, что такая система идеально годится для регистрации температуры в диапазоне 30–40 °C с разрешением 0,1 °C.

«Нам удалось создать фотоактивную белковую конструкцию, позволяющую с высокой точностью измерять локальную температуру и ее изменения. Наша работа — это первый шаг к использованию оранжевого каротиноидного белка для визуализации внутриклеточной температуры. До этого ОКБ рассматривали только как регулятор фотозащитных механизмов цианобактерий, мы же увидели в нем фотоуправляемую систему, которая может решить ряд прикладных задач», — подытоживает Евгений Максимов.

Дальнейшая оптимизация разработанного «нано-термометра» позволит визуализировать температуру одной единственной клетки с точностью до ее органеллы. Учитывая то, что ряд клеточных процессов сопряжен с производством тепла, открытие позволит лучше понять развитие рака или митохондриальных болезней, таких как, например, атрофия зрительного нерва Лебера.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.