Биоинженеры создали карту сборки белков для природных нанопузырьков

Микроскопические заполненные воздухом пузырьки, которые некоторые микроорганизмы используют как плавательные устройства, известны как газовые везикулы (ГВ). Эти микрометровые пузырьки перспективны для множества биомедицинских применений: визуализации, сенсорики, манипуляции с клетками и отслеживания. Однако исследователи пока не знают, как создать полезные для медицины разновидности ГВ в лаборатории.

Биоинженеры из Университета Райса создали карту взаимодействий, показывающую, как группа белков взаимодействует, образуя нанометровую оболочку пузырьков. Изучая молекулярные процессы, происходящие во время сборки ГВ, команда под руководством Джорджа Лу из Лаборатории синтетических макромолекулярных ассамблей приблизилась к созданию новых диагностических и терапевтических средств на основе этих природных структур.

"ГВ — это, по сути, крошечные пузырьки воздуха, поэтому их можно использовать вместе с ультразвуком, чтобы сделать видимыми объекты внутри нашего тела, например, рак или определенные части тела", — сказал Мануэль Ибург, ведущий автор исследования, опубликованного в The EMBO Journal. "Однако ГВ нельзя создать в пробирке или на сборочной линии, и мы не можем изготовить их с нуля".

Семейство ГВ включает одни из самых маленьких когда-либо созданных пузырьков, способных существовать месяцами. Их стабильность обусловлена особой структурой белковой оболочки, которая проницаема для отдельных молекул воды и газа, но имеет внутреннюю поверхность, сильно отталкивающую воду. В отличие от синтетических нанопузырьков, ГВ используют газ из окружающей жидкости.

Фотосинтезирующие бактерии, обитающие в воде, используют ГВ, чтобы всплывать ближе к солнечному свету. У них есть специфические гены, кодирующие белки, из которых состоит эта особая оболочка. Однако, несмотря на знание о том, как выглядят эти пузырьки и почему они стремятся группироваться, исследователи еще не выяснили белковые взаимодействия, обеспечивающие процесс сборки структур.

Чтобы решить эту проблему, исследователи сосредоточились на группе из 11 белков, участвующих в процессе сборки, и разработали метод отслеживания того, как каждый из них взаимодействует с другими внутри живых клеток-хозяев.

"Нам пришлось быть чрезвычайно тщательными и постоянно проверять, производят ли наши клетки ГВ", — сказал Ибург. "Одна из вещей, которую мы узнали, заключается в том, что некоторые белки ГВ можно модифицировать без особых проблем".

Используя этот подход, исследователи добавляли или удаляли определенные белки ГВ во время тестов. Это позволило установить, что взаимодействия между некоторыми белками требуют помощи других белков для правильного протекания. Они также проверили, меняются ли эти индивидуальные взаимодействия в ходе процесса сборки ГВ.

"С помощью множества таких перестановок и итераций мы создали карту, показывающую, как все эти разные белки должны взаимодействовать, чтобы произвести ГВ внутри клетки", — сказал Ибург. "Из наших экспериментов мы узнали, что эта карта взаимодействий ГВ очень плотная, со многими взаимозависимыми элементами. Некоторые белки ГВ образуют подсети, которые, по-видимому, выполняют меньшую функцию в общем процессе, некоторым необходимо взаимодействовать со многими другими частями собирающейся системы, а некоторые меняют свои взаимодействия со временем".

"Мы считаем, что ГВ обладают большим потенциалом для использования в новых, быстрых и комфортных методах диагностики или даже лечения пациентов на основе ультразвука", — сказал Лу, доцент биоинженерии в Райсе и стипендиат CPRIT. "Наши результаты также могут помочь исследователям разработать ГВ, которые позволят сделать существующие методы лечения еще более точными, удобными и эффективными".