Химики СПбГУ работают над получением флуоресцентных белков-сенсоров

Научная группа под руководством доктора химических наук, доцента СПбГУ Михаила Николаевича Рязанцева работает над созданием новых инструментов для визуализации электрической активности клетки. Учёные планируют получить фоточувствительные белки на основе родопсинов с увеличенной интенсивностью флуоресценции, что позволит расширить возможности специалистов в области нейробиологии и кардиологии, а также уменьшить количество инвазивных вмешательств при проведении исследований активности мозга и сердца.

Открытие потенциал-зависимых флуоресцентных белков позволило учёным наблюдать за клеточными процессами в живых системах. Это важное научное открытие широко используется нейробиологами в качестве инструментов для изучения работы головного мозга и биологами для обнаружения изменений в клетке концентрации кальция и мембранного потенциала. Кроме того, белки с фоточувствительными свойствами могут применяться в скрининге при разработке лекарств, которые запускают механизм программируемого умирания клеток раковой опухоли.

Во время исследований белки экспрессируются в нейронах мозга подопытного животного. При этом белки излучают флуоресцентный сигнал, интенсивность которого зависит от активности нейрона. Это позволяет исследователям использовать оптические методы для мониторинга работы мозга в режиме реального времени, — рассказывает Михаил Рязанцев.

На данный момент перед научным сообществом стоит задача по улучшению свойств белков-сенсоров. Учёные СПбГУ отмечают, что флуоресцентные родопсины, которые используются в мире на сегодняшний день, активируются светом на длинах волн около 600 нм, а излучение на этих длинах сильно поглощается биологическими тканями, находящимися между оптическим прибором и нейроном. Излучение в диапазоне длин волн 700-900 нм значительно меньше поглощается биологическими тканями. Поэтому получение белков-сенсоров с полосами спектра поглощения, сдвинутыми в этот диапазон, вероятнее всего позволит проводить визуализацию активности нейронов с меньшим количеством инвазивных процедур.

Чтобы получить белки с нужными свойствами в них вносят аминокислотные замены, которые должны с одной стороны сдвинуть спектр поглощения, с другой стороны сохранить зависящую от электрической активности нейрона флуоресценцию, — говорит Михаил Рязанцев.

На прошедшей школе Молодых учёных «Неорганические, гибридные и полимерные наноструктуры: синтез и функциональные свойства» одна из студенческих групп получила опыт работы над таким проектом. Студенты шаг за шагом освоили все этапы процесса и даже добились весомого результата. Сначала в плазмиды (двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК), которые кодируют исходный белок, вводились мутации методом ПЦР. На следующем этапе плазмиды с мутациями вносились в клетки бактерий для проведения биосинтеза белка. Наконец, белки выделялись из бактерий, проводилась их очистка с помощью хроматографии, измерялись их спектры поглощения. Новые белки обладали улучшенными свойствами относительно исходного белка — их спектры поглощения были сдвинуты в диапазон спектра 640–650 нм.

Проект «Комбинированное применение методов направленной эволюции и рационального дизайна для получения белков с заданными свойствами: молекулярный дизайн флуоресцентных родопсинов» проходит при поддержке Российского научного фонда и осуществляется совместно с Научно-исследовательским вычислительным центром МГУ.