​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

  • 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.
    195
  • 29/05/2018

    МикроРНК поможет ученым диагностировать рак яичников

    ​Группа ученых из Научно-исследовательского института общей патологии и патофизиологии во главе с профессором Элеонорой Брагой разработала новый способ диагностики рака яичников на основе микроРНК – маленьких молекул, участвующих в подавлении активности генов.
    159
  • 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.
    228
  • 23/06/2018

    Российские ученые нашли вещество, ослабляющее защиту раковых клеток

    ​Российские молекулярные биологи открыли вещество, способное "отключать" белки, мешающие химиотерапии убивать раковые клетки, и успешно проверили его работу на культурах рака прямой кишки.
    200
  • 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.
    239
  • 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.
    365
  • 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.
    147
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    74
  • 27/07/2018

    Росийские ученые разработали простой способ диагностики отита

    Российские ученые усовершенствовали подход к исследованию заболеваний среднего уха, например, среднего экссудативного отита — распространенного заболевания, которое сложно диагностировать и лечить. Новый способ диагностики, в котором ученые используют в том числе один из методов томографии, быстр, точен и безопасен.
    120
  • 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.
    270