Исследователи разработали альтернативный метод для изучения структур белков и разработки новых лекарств без лам
Исследователи нашли новый способ создания ценных антител, обойдя серьёзное препятствие в науке, — и для этого больше не нужны ламы.
Малоизвестный факт: ламы, альпаки, верблюды и другие представители семейства верблюдовых производят уникальный класс антител. Эти антитела позволяют учёным определять структуры белков, которые иначе невозможно изучить, понимать, как эти белки работают неправильно при заболеваниях, и разрабатывать новые лекарства, воздействующие на них.
Однако у использования этого эволюционного стечения обстоятельств есть недостатки. Во-первых, не все исследователи, которым нужны такие антитела, имеют доступ к фермам с ламами. Во-вторых, вакцинация животных для получения нужных антител — дорогостоящая, занимает до шести месяцев за попытку и часто не срабатывает.
Биохимики Эндрю Круз из Гарвардской медицинской школы и Аашиш Манглик из Калифорнийского университета в Сан-Франциско объединились, чтобы создать решение без лам: пробирки со специально сконструированными дрожжами.
Метод с дрожжами, описанный 12 февраля в Nature Structural and Molecular Biology, можно проводить в пробирке в собственной лаборатории. По словам авторов, он имеет более высокий процент успеха и меньшее время выполнения по сравнению как с вакцинацией лам, так и с предыдущими попытками обойтись без верблюдовых.
Это также первый случай, когда система, обходящая необходимость в верблюдовых, стала свободно доступна для некоммерческого использования.
"В этом есть реальная потребность", — сказал Круз. — "Это низкотехнологично, требует мало времени и с высокой вероятностью сработает для большинства белков".
Нанотела как ключ
Активные сегменты антител верблюдовых часто называют нанотелами, потому что они могут быть намного меньше обычных антител. Нанотело ламы может связываться только с определённой конформацией (например, "открытой" или "закрытой") конкретного белка. Нанотела также могут связываться со сложными белками, такими как рецепторы, работающие в маслянистых клеточных мембранах.
Структурные биологи хотят найти точное нанотело, которое соответствует их белку-мишени, чтобы зафиксировать белок в одном положении и выяснить его атомную структуру. Изучение структуры позволяет исследовать, как работает белок, и даёт основу для разработки лекарств, нацеленных на него.
Нанотела открыли давно запертые двери в биомедицинской науке. Например, они позволили исследователям впервые увидеть, как нейротрансмиттеры, такие как адреналин и опиоиды, связываются с рецепторами в мозге. Учёным просто нужен был более лёгкий способ найти ключи.
Успех со свечением
Сейчас учёному, который хочет изучить сложный мембранный белок, приходится кропотливо генерировать несколько миллиграммов этого белка, вакцинировать им ламу (обычно через сторонний сервис) и надеяться, что иммунная система животного среагирует. Только после этого можно искать антитела в образце крови и надеяться, что их будет достаточно для работы.
В отличие от этого, исследовательская группа Круза и Манглика под руководством первого автора Конора Макмэхона создала библиотеку из 500 миллионов антител верблюдовых с использованием дрожжевых клеток.
Каждая дрожжевая клетка имеет на своей поверхности слегка отличающееся нанотело, созданное слегка отличающимся кусочком синтетической ДНК.
Исследователи смешали все дрожжи вместе и заморозили их для сохранности. Всякий раз, когда они хотят провести эксперимент, они просто размораживают одну пробирку: миниатюрную иммунную систему ламы. (Пробирка содержит в 10–20 раз больше, чем нужно, чтобы гарантировать наличие хотя бы одной копии каждого уникального антитела.)
Команда разработала метод, при котором учёные теперь могут пометить свой белок-мишень флуоресцентной молекулой и добавить его в пробирку. Дрожжи с поверхностными нанотелами, которые распознают белок, будут светиться.
Затем исследователи используют сортировку клеток, активируемую флуоресценцией (FACS), чтобы отделить светящиеся дрожжи от остальных.
Они секвенируют ДНК этих светящихся дрожжевых клеток, чтобы узнать, что представляют собой нанотела. Затем они могут использовать бактерии E. coli для выращивания стольких копий этих нанотел, сколько им нужно.
Весь процесс занимает от трёх до шести недель вместо трёх-шести месяцев.
Дрожжи бесплатно
Команда протестировала свою дрожжевую систему на двух белках: бета-2 адренорецепторе (связанном с астмой) и аденозиновом рецепторе (через который кофеин оказывает своё действие). В обоих случаях нанотело связывалось с нужным рецептором, связывалось только с этим рецептором и связывалось с ним только тогда, когда он был "включён".
"Мы обнаружили, что нанотела, полученные из дрожжей, могут делать всё то же, что и антитела, полученные из лам", — сказал Круз.
Команда теперь предлагает пробирки со смесью дрожжей и инструкции по использованию бесплатно любым некоммерческим лабораториям, которые в них нуждаются. Коммерческие компании могут лицензировать дрожжи. "Мы сделали большую партию", — сказал Макмэхон, так что хватит на всех.
Более 40 лабораторий запросили пробирки ещё до публикации статьи.
"Нанотела делают возможной разработку лекарств для биологических мишеней, которые были просто слишком малы для обычных антител", — сказал Манглик. — "Сделав обнаружение нанотел быстрым и лёгким, мы надеемся, что наша платформа резко ускорит потенциальные применения этой захватывающей технологии".
"Я думаю, мы увидим вещи, которые превзойдут животную иммунную систему", — добавил Макмэхон. — "Это новая технология. Она будет только улучшаться. Надеюсь, она будет работать так же хорошо или лучше, так что нам больше не понадобятся ламы".