Научные сотрудники Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН вместе с коллегами из других научных учреждений создали микрофлюидную систему ультравысокопроизводительного скрининга в каплях двойной эмульсии. Разработка позволяет изучать уникальные свойства единичных живых клеток в 30 тысяч раз производительнее роботизированных станций, а также существенно упрощает работу исследователей, которые определяют функциональность биологических объектов для создания на их основе лекарственных препаратов. Результаты опубликованы в журнале PNAS, кратко о нем сообщается в пресс-релизе Института биоорганической химии.
«Сотрудники научно-исследовательских институтов, как правило, тратят много рабочего времени на то, чтобы наработать, очистить и отобрать белки с высокими показателями активности. Наша лаборатория не являлась исключением, поэтому мы попробовали решить эту проблему, разработав систему ультравысокопроизводительного скрининга биомолекул на основе микрофлюидной эмульсии. В результате мы получили систему, позволяющую осуществлять отбор интересующих нас биологических функций из колоссального разнообразия любых микроскопических биообъектов, а не только ферментов», – рассказывает Станислав Терехов, младший научный сотрудник Лаборатории биокатализа Института биоорганической химии, один из авторов статьи.
Идея возникла три года назад, когда Станислав Терехов предложил разработать технологию, которая позволяет быстро установить активность сотен миллионов новых ферментов, получаемых его коллегой Иваном Смирновым. Рабочая группа Ивана занималась созданием и отбором биокатализаторов из комбинаторных библиотек ферментов, ускоряющих реакции, для которых природных ферментов не существует. Например, для инактивации фосфорорганических токсинов – нервнопаралитических газов, актуальных в связи с массовым распространением пестицидов и применением боевых отравляющих веществ. Прежде исследователям приходилось тратить годы на то, чтобы получить десятки новых белков.
При помощи метода фотолитографии, который широко применяется в технологических компаниях для создания компьютерных чипов, исследователи из ИБХ РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского академического университета и НИИ Общей патологии и патофизиологии создали микрофлюидные чипы с каналами толщиной меньше диаметра волоса для генерации эмульсионных капель. Капли двойной эмульсии «вода-масло-вода» изолировали отдельные клетки, позволяя изучать их уникальные свойства. Используя микрофлюидные чипы, Станислав с коллегами помещал индивидуальные живые клетки в капли, после чего ферментативная и биологическая активность клеток в каплях изучалась в МГУ им. М.В. Ломоносова при помощи флуоресцентно-активированного клеточного сортера. Флуоресценция капель помогала определить наиболее активные клетки. Отобранные клетки в каплях в дальнейшем анализировались, как классическими молекулярно-биологическими методами, так и современными методами метаболомного анализа и широкомасштабного секвенирования на базе ФНКЦ физико-химической медицины.
«В результате мы получали примерно 108 капель в час и за день отбирали подходящие для нас ферменты с необходимой активностью, – продолжает Станислав. – Например, нам удалось улучшить фермент бутирилхолинэстеразу, которая не только связывала фосфорорганический токсин, но и могла его гидролизовать, то есть уничтожить, и связаться со следующим токсином. Впоследствии мы инкапсулировали бактериальные клетки, чтобы проследить, какие микроорганизмы являются ингибиторами роста высокопатогенных бактерий золотистого стафилококка. Таким образом, наш метод скрининга походит для поиска новых лекарств, как на основе ферментов, так и на основе микроорганизмов, их метаболитов и других биологических объектов».
Разработанная исследователями универсальная микрофлюидная платформа для скрининга требует значительно меньше временных и финансовых ресурсов. Она работает в 30 тысяч раз быстрее роботизированных систем, которые используют фармацевтические компании для поиска новых лекарств, позволяя анализировать большие библиотеки любых биологических объектов: белков, ферментов и даже живых клеток с целью поиска новых и более эффективных лекарственных средств.
В исследовании также принимал участие Казанский федеральный университет, Сколковский институт науки и технологий, Московский физико-технический институт, Французская академия фармакологии (French Academy of Pharmacy) и Йельский университет (Yale University).
