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.
Лаборатория биогибридных технологий Санкт-Петербургского государственного университета. Источник: Михаил Рязанцев
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.
