​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

  • 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.
    107
  • 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.
    245
  • 30/03/2018

    Трехпетельные белки млекопитающих замедлили рост раковых клеток

    Российские ученые обнаружили, что белки человека SLURP способны подавлять рост раковых клеток. Эти белки регулируют функционирование эпителия, однако механизм их действия не до конца ясен. Полученные результаты в будущем могут быть использованы для разработки и улучшения противораковых препаратов.
    134
  • 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.
    74
  • 03/05/2018

    Российские ученые научились добывать трудноизвлекаемую нефть

    Более 40% запасов нефти в России относятся к трудноизвлекаемым. Ученые из МИФИ предложили новый способ увеличения добычи для таких месторождений - экономичный и не наносящий вреда экологии. Нагрев под действием высокочастотного электрического тока приводит к растворению накопившихся в трубе скважины твердых отложений.
    106
  • 12/04/2018

    Найден простой способ создания препарата для разжижения крови

    ​Российские химики придумали, как простым и экологически чистым способом синтезировать нужную форму лекарства, необходимого для разжижения крови. Новый метод поможет избежать опасных передозировок, а также перспективен для синтеза других лекарственных препаратов.
    213
  • 28/03/2018

    Российские химики раскрыли механизм важнейшей для промышленности реакции

    ​Механизм важнейшей окислительной реакции Байера-Виллигера, известной больше ста лет, раскрыт международной группой ученых. Реакция является универсальным путем получения эфиров органических кислот - базовых соединений для химической промышленности.
    156
  • 29/03/2018

    Российские ученые создали терагерцовый источник излучения, разрушающий металл

    ​Российские ученые разработали уникальную установку, которая позволяет создавать электромагнитные поля в терагерцовом диапазоне с максимально возможной на сегодняшний день мощностью. С помощью этой установки ученые впервые разрушили тонкую пластину металла электрическим полем терагерцового импульса длительностью меньше одной пикосекунды (одной триллионной доли секунды).
    155
  • 03/05/2018

    Российские ученые создали фильтр, улавливающий самые малые наночастицы

    ​Российские химики создали мембрану из молекул обычной целлюлозы, которая пропускает через себя даже самые крупные молекулы жидкостей, но при этом удерживает мельчайшие наночастицы, говорится в статье, опубликованной в журнале Cellulose.
    108
  • 27/12/2017

    Исследователи реализуют проект, позволяющий исправлять мутации ДНК митохондрий

    ​В последнее время все чаще можно услышать о тяжелых наследственных заболеваниях митохондриальной этиологии. Эти недуги вызываются дефектами митохондрий, которые являются своеобразными "энергетическими станциями" клеток организма.
    516