Биохимики рассмотрели возможности биологических сенсоров на основе флуоресцентных белков и показали, какие биохимические параметры в живом организме можно измерить с их помощью. Часть данных была получены в работе на крысах, на основе разработанной учеными технологии. Обзор этой области появился на страницах журнала Free Radical Biology and Medicine. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
«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 белок, синтез которого «включается» специальной последовательностью – промотором. 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.
Подобного рода биосенсоры можно направленно доставлять 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.
«Данный 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.
