Обнаружить раковую опухоль поможет фотопротеин гребневика
Ученые всесторонне изучили белок беровин, который содержится в клетках морского животного — гребневика (Beroe abyssicola). Полученные данные об интенсивности светового сигнала, испускаемого этим белком-фотопротеином, помогут в дальнейшем использовать его молекулы в качестве маркеров для поиска и тестирования новых препаратов на линиях клеток человека и животных, выявления инфекционных агентов не только в природных источниках (например, вируса клещевого энцефалита в клещах), но и в лабораторных исследованиях. Работа выполнена сотрудниками подведомственных Минобрнауки России Сибирского федерального университета (СФУ) и Института биофизики Сибирского отделения РАН.
Гребневик — одно из древнейших животных на планете, обитающее повсеместно в водах Мирового океана. В последние годы его ареал расширился из-за случайного заноса грузовыми судами в акватории Черного и Балтийского морей. Несмотря на внешнее сходство, гребневика не стоит путать с медузой. Его устройство достаточно примитивно: это легкие прозрачные существа, обладающие гребными пластинами, предназначенными для передвижения. У них отсутствуют сердце и скелет, однако есть нервная система и способность к свечению — биолюминесценция.
Свечение гребневиков связано с работой особых светочувствительных белков — фотопротеинов. В 1970-х годах ученые впервые изучили натуральный фотопротеин — беровин, выделенный прямо из клеток животного. Однако сейчас использовать животных для исследований необязательно. Красноярские биофизики изучили рекомбинантный (искусственно полученный) вариант белка, чтобы лучше разобраться в его свойствах.
«В настоящее время клонировано четыре белка из разных видов гребневиков: это беровин, болинопсин, мнемиопсин и батоцировин. Все они ответственны за свечение. В биолюминесцентных организмах гены «живого света» экспрессируются, то есть превращаются в белок, в специальных клетках — фотоцитах, которые, в свою очередь, собраны в органы свечения — фотофоры. Когда фотопротеины уже получены в виде рекомбинантных белков, их можно использовать в качестве маркерных молекул. Например, визуализировать с их помощью различные процессы в живых организмах или в отдельных тканях в условиях лаборатории — допустим, пометить клетки раковой опухоли, а потом наблюдать за ее ростом или уменьшением», — сообщила научный сотрудник лаборатории биолюминесцентных биотехнологий СФУ Людмила Буракова.
Визуализация — это способ количественно зафиксировать сигнал, в данном случае — в виде квантов света. Это можно делать с помощью маркерных молекул, которые могут генерировать такой сигнал, в частности с помощью биолюминесцентных белков, к которым относятся и фотопротеины. Их можно химически «пришить» к аффинным молекулам (антителам, аптамерам или биотину), которые будут «узнавать» то или иное вещество, например в биологических жидкостях, а пришитые маркерные молекулы просигнализируют о количестве узнанного вещества. Визуализация помогает маркировать клетки раковой опухоли, наблюдать за потоками кальция в клетке и получать информацию об эффективности работы новых лекарств.
Чтобы количественно оценить световой сигнал и достичь оптимальной яркости «живого света» для подсвечивания молекулами беровина клеток животного или человека, важно знать квантовый выход биолюминесцентной реакции (величина, показывающая, сколько молекул белка могут испускать кванты света). Для каждого вида белка этот показатель индивидуален. Работа ученых сосредоточилась вокруг определения квантового выхода беровина. Такого рода исследование проведено впервые в России для рекомбинантных фотопротеинов гребневиков. Хотя беровин клонировали в начале 2000-х годов и он считается наиболее исследованным фотопротеином гребневиков, механизм его работы пока изучен недостаточно.
«Мы получили рекомбинантный беровин высокой степени очистки, количественно определили его аминокислотный состав, точно рассчитали необходимую для свечения концентрацию, измерили его биолюминесцентную активность и определили квантовый выход реакции. Кроме того, наш коллектив посчитал, насколько сильно этот белок поглощает свет заданной длины волны. Также мы узнали оптимальные условия свечения относительно кислотно-щелочного баланса (рН) и линейный диапазон биолюминесцентного сигнала при разведении белка в разных концентрациях», — уточнила Людмила Буракова.
Первый рекомбинантный фотопротеин, для которого были сделаны подобные расчеты, — экворин, его выделили из медузы эквореи (Aequorea victoria) в начале 60-х годов. Красноярские биофизики сравнили беровин с экворином и пришли к выводу, что эти белки, в целом характерные для морских животных, имеют лишь функциональное сходство и абсолютно непохожи ни по аминокислотному составу, ни по способу координации субстрата для свечения.
В результате исследования стало ясно, что квантовый выход беровина ниже, чем у фотопротеинов гидромедуз (в частности, в 2,5 раза меньше, чем у экворина), а удельная активность свечения начинает снижаться при разведении белка после достижения концентрации 10 мг/мл.
Это означает, что, несмотря на высокий аналитический потенциал фотопротеинов гребневиков, в будущем может потребоваться направленное изменение свойств беровина. Например, можно ввести в его состав определенные аминокислоты «на замену» уже существующим либо использовать синтетические аналоги субстрата (исходного вещества). По словам авторов, для этого необходимо подробнее изучить базовые характеристики белковой молекулы беровина.
Результаты исследования опубликованы в одном из международных научных изданий.
Прогресс не стоит на месте. Это хорошо.