Созданы более яркие белки–сенсоры для исследования активности головного мозга и сердца

Ученые разработали светящиеся молекулярные сенсоры для наблюдения за активностью живых клеток, которые значительно ярче и чувствительнее аналогов. Такие молекулярные датчики позволяют отслеживать электрические сигналы в клетках, благодаря чему могут использоваться при изучении работы мозга и сердца с помощью флуоресцентного микроскопа. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chem & Bio Engineering.

Чтобы исследовать, как работают нервные клетки в головном мозге и кардиомиоциты в сердце в норме и при различных заболеваниях, ученые используют инструменты для наблюдения за их активностью в режиме реального времени. Например, существуют светящиеся белки-родопсины, которые можно с помощью генетических методов встроить в мембрану клеток, где они будут светиться с разной яркостью в зависимости от напряжения (электрического потенциала) мембраны. Электрический потенциал мембраны отличается, когда клетка находится в покое и когда через нее проходят электрические импульсы. Молекулярные датчики позволяют проследить за передачей сигналов между нейронами и работой кардиомиоцитов путем регистрации изменения в яркости их свечения. Однако известные родопсины светятся довольно тускло, и для их возбуждения приходится использовать мощные источники света, которые могут перегревать и повреждать живые ткани.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) нашли способ повысить яркость и чувствительность родопсинов. Опираясь на компьютерное моделирование белковых структур и систематический анализ литературных данных о свечении родопсинов, авторы выдвинули гипотезу: смещение спектра поглощения белка в красную область позволит увеличить интенсивность его свечения.

Для проверки этой гипотезы ученые модифицировали аминокислотную последовательность уже существующего родопсинового сенсора так, чтобы новые белки активировались более длинноволновым красным светом. Затем авторы экспериментально проверили работу известных и новых белков, «встроив» их в клетки кишечной палочки и клетки почки эмбриона человека. Оказалось, что при освещении красным светом три новых сенсора светятся в полтора раза ярче, чем лучший на сегодняшний день вариант родопсина. Кроме того, авторы доказали, что новые белки сохранили чувствительность к напряжению, благодаря чему с их помощью можно будет отслеживать передачу импульсов между нервными клетками в головном мозге и активность кардиомиоцитов в сердце.

«Мы не просто создали еще один улучшенный молекулярный сенсор, а предложили и успешно протестировали новую стратегию их проектирования. Она универсальна и может успешно применяться для решения широкого круга задач в области белковой инженерии. В дальнейшем мы планируем применить эту стратегию для разработки набора новых клеточных сенсоров на основе других белков», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Рязанцев, профессор кафедры медицинской химии Санкт-Петербургского государственного университета.