Фото. Светящиеся бактерии Escherichia coli с флуоресцентным белком из Chloroflexus aggregans на чашке Петри в форме символа МФТИ. Предоставлено авторами исследования
Биофизики из МФТИ, в сотрудничестве с учеными из Института структурной биологии (Гренобль, Франция), Исследовательского центра г. Юлих (Германия) и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена (Германия), обнаружили в клетках термофильной бактерии белок, принадлежащий к семейству так называемых LOV-доменов (light oxygen voltage). Изучив его, ученые сконструировали новый хорошо кристаллизующийся флуоресцентный белок беспрецедентно малого размера и невиданной прежде термостабильности. Этот белок, по мнению создателей, позволит открыть новые горизонты в изучении функционирования клеток раковых опухолей — исследовании процессов их размножения, роста, метастазирования, или, например, термофильных бактерий. Работа опубликована в журнале Photochemical & Photobiological Sciences.
Флуоресцентная микроскопия — метод исследования живых тканей, основанный на явлении наведенного свечения — флуоресценции. Некоторые белки (их так и называют флуоресцентными) обладают способностью под действием внешнего излучения (обычно лазерного) определенной длины волны излучать свет другой длины волны, который можно обнаружить с помощью микроскопа. Если флуоресцентный белок каким-то образом — например, методами генной инженерии — прицепить к какому-либо интересующему нас белку, то за поведением последнего можно наблюдать в микроскоп и изучать его жизнь внутри клетки. Этот метод оказался настолько важен для науки, что за флуоресцентную микроскопию были присуждены одна за другой две нобелевские премии: одна за открытие самого метода, другая — за радикальное повышение его точности.
Но те флуоресцентные белки, которые до сих пор применялись для изучения внутриклеточной жизни, обладали некоторыми важными недостатками. Во-первых, они могли быстро распадаться под действием тепла. Во-вторых, они обладали большими размерами, что весьма затрудняло их прикрепление к белкам, которые интересуют исследователя. Но самое важное — они не могли флуоресцировать в отсутствие растворенного кислорода в среде.
«А наш белок, во-первых, более термостабилен по сравнению с аналогами: он разрушается только при 68 ºC, — рассказывает один из авторов работы Вера Назаренко, научный сотрудник лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ. — Во-вторых, он обладает миниатюрными размерами в сравнении с большинством применяемых сейчас громоздких флуоресцентных белков. И может светиться в бескислородных условиях».
Рисунок 1. Трехмерная структура флуоресцентного белка. Предоставлено авторами исследования
Обладающий столь замечательными свойствами белок ученые первоначально обнаружили в клетках термофильной (живущей при высоких температурах окружающей среды, в горячих источниках) бактерии Chloroflexus aggregans. . Далее, они с помощью методов генной инженерии сконструировали последовательность ДНК, которая воспроизводит только флуоресцентный фрагмент. В частности, от природного белка удалось «отрезать» все лишнее, не несущее полезного функционала, и достичь этим экстремально маленького размера белковой молекулы.
Ген, в котором закодирован новый белок, ученые подсадили в клетки другой бактерии — Escherichia coli, это всем известная кишечная палочка. И последняя сделалась фабрикой для производства нового флуоресцентного белка, обладающего уникальными свойствами — термостабильностью и миниатюрностью.
Рисунок 2. Трехмерная структура фотоактивной молекулы внутри белка — флавинмононуклеотида. Предоставлено авторами исследования
Именно этих совокупных свойств давно ждали исследователи процессов, происходящих в живых клетках: подсаживая флуоресцентные белки в клетку или «пришивая» миниатюрную молекулу к другим белкам, ученые получают возможность наблюдать, как эти белки живут, развиваются и взаимодействуют друг с другом. В частности, флуоресцентная микроскопия — один из лучших инструментов изучения механизмов возникновения и развития злокачественных опухолей.
«Например, выращивают in vitro определенный вид раковой ткани, снабжают ее клеточные белки флуоресцентными метками и подсаживают лабораторным мышам, — поясняет Вера Назаренко. — После этого биохимические процессы, происходящие в клетках опухоли на молекулярном уровне, становятся открытой книгой, и в микроскоп можно увидеть мельчайшие подробности».
С помощью флуоресцентной микроскопии в медицине уже сделано немало открытий, но эти исследования до сих пор были ограничены низкой стабильностью и громоздкостью флуоресцентных белков, имеющихся в распоряжении ученых. Теперь указанные ограничения сняты благодаря работе биофизиков МФТИ.
