​Российские биохимики рассмотрели возможности биологических сенсоров на основе флуоресцентных белков и показали, какие биохимические параметры в живом организме можно измерить с их помощью. 

В частности, разработанный подход позволяет почти мгновенно получать данные с самых ранних стадий развития ишемического инсульта у крыс. Работа ученых появилась на страницах журнала Free Radical Biology and Medicine. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

«Когда изучают последствия инсульта на моделях лабораторных животных, обычно извлекают мозг, получают из него гомогенат ткани и далее анализируют биохимические показатели. Но ткани уже неживые. Теперь мы сможем наблюдать за биохимическими показателями не просто на уровне тканей живого организма, но и на уровне отдельных клеток и даже их органелл, причем в режиме реального времени», – рассказал соавтор статьи Дмитрий Билан, кандидат биологических наук, сотрудник Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН и РНИМУ им. Пирогова. Биохимические исследования путей развития заболеваний и физиологических процессов в режиме реального времени стали возможны благодаря генетически кодируемым биосенсорам.

В живых организмах существуют белки, которые по своей природе уже выполняют функцию сенсоров. Например, подобные белки у бактерий очень разнообразны и могут регистрировать совершенно любые биохимические параметры. Это нужно для того, чтобы клетка в ответ на изменения среды запускала защитные механизмы, позволяющие ей выжить и приспособиться к новым условиям. Бактериям такие свойства помогают выживать даже в экстремальных условиях.

«Наша задача – искать такие белки, – пояснил Дмитрий Билан. – И дальше в их структуры на генетическом уровне мы вставляем флуоресцентные белки. В итоге мы получаем белковую конструкцию, одна часть которой является сенсорной и взаимодействует с интересуемым параметром (например, каким-то метаболитом), а другая часть конструкции – это флуоресцентный белок, который позволяет нам регистрировать сигнал в виде флуоресценции. При взаимодействии с исследуемым параметром такой искусственный белок претерпевает конформационные изменения, и мы видим изменение спектральных характеристик. Если говорить по-простому, он начинает светиться по-другому. Мы это регистрируем. Например, концентрация изучаемого метаболита в клетке увеличилась – светится ярче, уменьшилась – светится хуже. Далее мы интерпретируем сигнал и получаем динамику изменения исследуемого параметра прямо в живом объекте в режиме реального времени».

В статье ученые разбили биосенсоры на несколько основных типов. В одном из самых простых случаев биосенсор – это обычный флуоресцентный («светящийся») белок, синтез которого «включает» специальная последовательность – промотор. Если при определенных условиях в клетках промотор активируется, то они начинают светиться, поскольку со вставленного гена производится флуоресцентный белок.

В другом простом варианте флуоресцентные белки сами по себе без добавления чувствительных частей или молекул способны изменять спектральные характеристики при колебании некоторых параметров окружающей среды. На таком свойстве флуоресцентных белков разработаны, например, биосенсоры, которые позволяют визуализировать в живых системах разные показатели: кислотность среды, изменение гидростатического давления или динамику изменения концентрации некоторых ионов.

Существуют биосенсоры, устроенные сложнее, они состоят из разных функциональных частей. Сенсорные части отвечают за взаимодействие с исследуемым параметром, а флуоресцентная часть позволяет визуализировать эти взаимодействия. Разные биосенсоры могут вызывать разное свечение, поскольку существуют различные голубые, желтые, зеленые, красные флуоресцентные белки. Комбинируя сенсоры в пределах одной живой системы, можно одновременно регистрировать сразу несколько биологических параметров. Такой подход позволяет получить гораздо больше информации.

Ученый рассказал, что подобного рода биосенсоры он и его коллеги могут доставлять направленно в живой организм лабораторного животного с помощью специальных обезвреженных вирусных частиц. Причем заражение можно сделать специфичным, чтобы в результате светились только нейроны, клетки глии или даже отдельные органеллы этих клеток, например, только митохондрии. Чтобы вирус попал напрямую в мозг, лабораторным крысам делают небольшое отверстие в черепе по рассчитанным координатам и проводят инъекцию вирусных частиц в кору головного мозга. Чтобы дать вирусу «заразить» нужным биосенсором больше клеток, ученые ждут около месяца. За это время в коре головного мозга животных появляется флуоресцентная область – место «заражения» начинает светиться.

«Такой подход позволяет посекундно регистрировать изменения биохимических параметров с самых ранних стадий развития ишемического инсульта мозга у лабораторных животных. Сейчас мы в процессе получения таких данных. Мы показали, что это реализуемо. В перспективе такие подходы будут широко востребованы, они позволят изучать физиологические процессы и развитие различных заболеваний на уровне живых организмов», – заключил Дмитрий Билан.

Похожие новости

  • 18/12/2018

    У пациентов с болезнью Бехтерева и псориатическим артритом обнаружен индивидуальный набор иммунных клеток

    Ученые выяснили, что в очагах воспаления при псориатическом артрите и болезни Бехтерева скапливается в основном индивидуальный для каждого пациента набор иммунных клеток. Это удалось узнать благодаря впервые проведенному исследованию Т-клеток пациентов.
    428
  • 20/08/2018

    Ученые установили, что на результат химиотерапии влияет процесс разрушения митохондрий

    ​Программируемое разрушение митохондрий, «энергетических станций» клеток, пределяет ответ опухолевых клеток на химиотерапию. Также этот процесс влияет на различные виды гибели клеток, такие как апоптоз и аутофагия.
    386
  • 27/03/2018

    Российские ученые нашли причину неэффективности вакцины от гриппа

    Исследователи из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН показали, что различные варианты вакцины против вирусов сезонного гриппа фактически не увеличивают число разных типов Т-клеточных рецепторов (ТКР), а значит и не повышают шанс распознавания вирусов гриппа иммунной системой организма.
    685
  • 16/05/2018

    Российские биохимики нашли новые ферменты с необычной активностью

    ​Российские ученые охарактеризовали новые ферменты-трансаминазы, которые могут работать как в типичных для своего семейства реакциях, так и в нехарактерных для него. Результаты работы будут полезны в фундаментальном аспекте для поиска и предсказания свойств ферментов по их аминокислотной последовательности и для использования в биотехнологических процессах.
    457
  • 28/05/2018

    Нейросеть помогла российским ученым определить оптимальные условия хранения микроорганизмов

    ​Российские ученые с помощью нейросети определили самые оптимальные условия для длительного хранения микроорганизмов, выживающих при экстремально высокой солености. Статья об этом опубликована в журнале Extremophiles.
    299
  • 11/05/2018

    Российские ученые улучшат препараты для генной терапии

    ​Российские молекулярные биологи разработали новую технологию ввода в клетки генной терапии, изучив, как миниатюрные жировые капсулы взаимодействуют с нитями ДНК. Рецепт по сборке наношприца опубликован в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
    416
  • 01/11/2018

    Молекулярные биологи изучили смертельные для раковых клеток мутации

    ​Российские молекулярные биологи обобщили данные о возможностях использования трех родственных ферментов ATM, ATR и DNA-PKcs в качестве мишеней для прицельной антиопухолевой терапии. Результаты исследования, выполненного при поддержке гранта Президентской программы исследовательских проектов РНФ, помогут предсказать, какие сочетания мутаций смертельны для раковых клеток.
    182
  • 26/12/2018

    Российские ученые нашли скрытое оружие у противораковых антител

    ​Российские ученые обнаружили, что из-за вырабатываемых иммунными клетками моноклональных антител, используемых для лечения рака, в раковой клетке накапливается убивающий ее яд. Исследование поможет улучшить качество терапии.
    475
  • 29/10/2018

    Биологи из России научились предсказывать нашествия вредителей

    ​Российские ученые выяснили, как можно "прочитать" историю борьбы отдельных растений с вредителями и предсказать будущие атаки насекомых, анализируя структуру их древесины. Их выводы были представлены в журнале Dendrochronologia.
    213
  • 20/11/2018

    Ученые установили, что набеги насекомых остаются в памяти деревьев

    Оригинальный способ предсказания будущих атак вредителей растений разработан учеными Института проблем экологии и эволюции РАН Булатом Хасановым и Робертом Сандлерским. Они предложили оценивать число вредителей по структуре древесины.
    160