Сверхяркие молекулярные сенсоры для наблюдения за активностью живых клеток

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали сверхяркие молекулярные сенсоры для наблюдения за активностью живых клеток. Новые белковые датчики позволяют фиксировать электрические сигналы в нейронах и кардиомиоцитах с высокой точностью и безопасностью. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.

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 СПбГУ нашли способ повысить яркость и чувствительность родопсинов. Используя компьютерное моделирование и анализ свойств родопсинов, они предположили, что смещение спектра поглощения в красную область позволит увеличить интенсивность его свечения.

Для проверки гипотезы исследователи модифицировали аминокислотную последовательность 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.

Эксперименты показали, что три новых сенсора светятся в полтора раза ярче, чем лучшие существующие аналоги, и при этом сохраняют чувствительность к изменениям электрического потенциала. Это позволит использовать их для визуализации передачи сигналов между нейронами и наблюдения за активностью клеток сердца.

«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 СПбГУ.

Результаты работы опубликованы в журнале Chem & Bio Engineering.

Источник: Пресс-служба РНФ