Новости

23 Марта, 2020 10:29

Российские биохимики разработали сверхточный биосенсор для изучения обмена веществ в организме

Московские ученые совместно с зарубежными коллегами создали новый биосенсор для наблюдения за процессами метаболизма в живых организмах. Он обнаруживает сверхнизкие концентрации пероксида водорода, регулирующего обмен веществ. Изучать это соединение трудно, ведь его молекулы живут максимум несколько секунд. Биохимический зонд HyPer7 оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее своих предшественников. О своей работе биохимики сообщили в журнале Cell Metabolism. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.
Картинка: несколько поколений лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН. Встреча 2020 года. Источник: Дарья Смолярова
Картинка: сотрудники отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН в лаборатории. Слева – Валерий Пак, первый автор статьи. Источник: из лабораторного архива
Картинка: биосенсор HyPer7 состоит из флуоресцентного белка GFP, сшитого с белком OxyR. Источник: Всеволод Белоусов
Картинка: градиент пероксида водорода в клетке задает направление ее движения. Стрелка показывает направление движения. Источник: Всеволод Белоусов, модифицировано из оригинальной публикации
3 / 4
Картинка: несколько поколений лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН. Встреча 2020 года. Источник: Дарья Смолярова
Картинка: сотрудники отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН в лаборатории. Слева – Валерий Пак, первый автор статьи. Источник: из лабораторного архива
Картинка: биосенсор HyPer7 состоит из флуоресцентного белка GFP, сшитого с белком OxyR. Источник: Всеволод Белоусов
Картинка: градиент пероксида водорода в клетке задает направление ее движения. Стрелка показывает направление движения. Источник: Всеволод Белоусов, модифицировано из оригинальной публикации

Перекись водорода H2О2 — одна из важнейших молекул в организме живых существ. Она образуется в процессе метаболизма, а также выделяется специализированными ферментными системами. В организме это соединение регулирует работу различных биохимических процессов, но при слишком высоком ее содержании может произойти так называемый окислительный стресс — избыток активных форм кислорода в организме. Он участвует в развитии многих заболеваний, таких как воспалительные, онкологические и нейродегенеративные. Регуляторную функцию молекулы выполняют, находясь в чрезвычайно низких концентрациях, из-за высокой скорости реакции они живут максимум несколько секунд. Эти особенности перекиси водорода сильно затрудняют изучение ее влияния на метаболизм и возникновение патологий.

Разработка российских ученых — плод многолетней работы над биосенсорами, позволяющими наблюдать за пероксидом водорода в клетке с помощью оптики, например микроскопа. Первое поколение отечественных зондов получило мировое признание и расширило знания ученых в области метаболизма, но имело существенный недостаток — они не могли обнаружить сверхнизкие концентрации H2О2, с помощью которых реализуется большинство ее функций. Также результаты наблюдения могли быть неточными из-за того, что работа сенсора сильно зависела от кислотности среды.

Обычно биосенсоры — это приборы, которые находят химические соединения с помощью веществ, реагирующих на эти соединения. Например, биосенсоры используются для измерения количества сахара или алкоголя в крови. Но биосенсоры, о которых идет речь в исследовании, являются белковыми молекулами. В основе такого зонда ученые использовали зеленый флуоресцентный белок GFP, способный поглощать свет и через несколько наносекунд испускать его обратно с немного увеличенной длиной волны, то есть «светиться». Такой белок сшивается с другим белком, OxyR, природным сенсором пероксида водорода. В результате «свечение» (флуоресценция) GFP меняет свои свойства при взаимодействии зонда с H2О2. OxyR есть почти у всех бактерий. Поскольку исследователи не знали заранее, какой из белков окажется наиболее чувствительным, то выбрали для эксперимента 11 OxyR из разных неродственных друг другу видов микроорганизмов. В итоге сверхчувствительный сенсор получился при сшивании флуоресцентного белка GFP с белком OxyR, содержащимся в бактерии менингококк Neisseria meningitidis, обитающей в носоглотке человека и вызывающей менингит и назофарингит. OxyR этой бактерии реагирует на окисление пероксидом водорода, но при этом нечувствителен к другим активным формам кислорода.

«По-видимому, менингококк в процессе эволюции выработал сверхчувствительный OxyR, строго избирательный к пероксиду водорода. Это нужно для того, чтобы заранее чувствовать активацию нейтрофилов и макрофагов, иммунных клеток организма хозяина, использующих пероксид водорода, чтобы убить бактерию. В ответ менингококк способен усиливать свои антиоксидантные системы, защищающие его от окислительного стресса», — рассказывает Всеволод Белоусов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор биологических наук, заведующий отделом метаболизма и редокс-биологии ИБХ имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, и.о. директора Федерального центра мозга и нейротехнологий МЗ РФ.

По словам ученого, новый зонд HyPer7 — настоящий прорыв в сфере биосенсоров: «Мы получили уникальный индикатор с высокой яркостью и коротким временем отклика, реагирующий на сверхнизкие концентрации перекиси водорода, при этом не зависящий от кислотной среды. HyPer7 оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее предыдущих версий».

С помощью сенсора авторам работы уже удалось изучить детали перемещения молекул H2О2 внутри клетки, исследовать роль градиентов пероксида водорода в движении клеток и при повреждении тканей. Разработка биохимиков позволит визуализировать перекись водорода в клетках, тканях и органах, и исследовать роль этой молекулы в нормальных биохимических процессах. Также будет изучена роль перекиси водорода в возникновении и развитии ишемических, нейродегенеративных, воспалительных и онкологических заболеваний, которые тесно связаны с окислительным стрессом. В исследовании российским ученым помогали коллеги из Бельгии, Франции, Германии и США.

17 Сентября, 2020
Создан программный комплекс для моделирования самосборки молекулярных слоев
Российские ученые разработали программу, которая позволяет моделировать процессы на поверхностях тве...
17 Сентября, 2020
Извержения вулканов станут более предсказуемыми
Российские ученые установили закономерности извержения вулканов, выявив влияние вязкости магмы на фо...