Ученые создали белки, свойства которых можно изменять светом

Исследователи разработали флуоресцентные белки, свойствами которых можно управлять с помощью оранжевого и зеленого света. Эти белки помогут ученым исследовать процессы жизнедеятельности в живых клетках. Работа проходила в рамках проекта, который поддерживается грантом Российского научного фонда, а ее результаты были опубликованы в журнале Nature Methods.

Флуоресцентные белки — это вещества, которые интенсивно светятся в видимом диапазоне спектра, то есть на длинах волн от 390 до 700 нанометров. Природные функции таких белков достаточно разнообразны, например, некоторые виды медуз с помощью зеленых флуоресцентных пятнышек приманивают к себе еду — различные мелкие организмы. Оптическими свойствами некоторых флуоресцентных белков — их называют фотопереключаемыми — можно управлять с помощью света. Например, эти белки можно «включать» и «выключать», что широко используется в так называемой флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения (наноскопии) — новой группе методов, позволяющих получать чрезвычайно детальные изображения внутриклеточных структур. Обычно для такой микроскопии ученые используют синее и фиолетовое облучение, которое очень токсично для клеток: оно нарушает их нормальную физиологию и даже вызывает гибель.

«Мы впервые создали фотопереключаемые флуоресцентные белки, оптические свойства которых можно контролировать зеленым и оранжевым, а не сине-фиолетовым светом, — рассказал один из авторов статьи Александр Мишин из Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Его преимущество состоит в том, что он почти не причиняет вреда клеткам. Мы использовали новые белки для наблюдения динамики цитоскелета в живых клетках».

Для создания флуоресцентных белков ученые изменяли их (направленный и случайный мутагенез) с помощью такого метода, как полимеразная цепная реакция, которая позволяет добиться значительного увеличения малых концентраций определенных фрагментов ДНК. Также ученые клонировали белки, после чего под микроскопом отбирали из полученных бактериальных колоний самые удачные. Авторы проанализировали результаты уже проведенных другими биологами экспериментов и выяснили, как приблизительно нужно изменить микроокружение хромофора (остатка ароматической аминокислоты, который отвечает за поглощение света в белке), чтобы заставить его проявить способность к фотопереключению.

Помимо ожидаемого эффекта, однако, есть и побочные, например, снижается яркость белка. Тогда случайный мутагенез позволяет найти дополнительные мутации, компенсирующие побочные эффекты при сохранении целевого.

Разработанные белки называются репортерными, так как выполняют роль «шпионов» в клетках. Их присоединяют к другим белкам и таким образом следят за ними в живой клетке. Полученная детальная информация может быть использована как в фундаментальных, так и в биомедицинских исследованиях. Например, у больного раком пациента опухолевые клетки демонстрируют сильные нарушения клеточной подвижности и динамических перестроек цитоскелета — каркаса, находящегося в цитоплазме живой клетки. При этом изучение этих процессов со сверхвысоким разрешением затруднено в живых клетках из-за слишком интенсивного облучения образца, поэтому для таких целей нужно использовать методы с меньшей токсичностью для организма.