Новые белковые наночастицы позволяют отслеживать клетки и взаимодействия внутри них

Инженеры MIT разработали магнитные белковые наночастицы, которые можно использовать для отслеживания клеток или мониторинга взаимодействий внутри них. Частицы, описанные в Nature Communications, представляют собой усовершенствованную версию природного слабомагнитного белка ферритина.

"Ферритин, который является максимально близким к естественному магнитному белковому наночастице, на самом деле не так уж магнитный. Именно это и решает данная работа", — говорит Алан Ясенофф, профессор биологической инженерии MIT и старший автор статьи. "Мы использовали инструменты белковой инженерии, чтобы усилить магнитные характеристики этого белка".

Новые "гипермагнитные" белковые наночастицы могут продуцироваться внутри клеток, что позволяет визуализировать или сортировать клетки с помощью магнитных методов. Это устраняет необходимость метить клетки синтетическими частицами и позволяет частицам чувствовать другие молекулы внутри клеток.

Ведущий автор статьи — бывший аспирант MIT Юри Мацумото. Среди других авторов — аспирант Ричи Чен и Полина Аникеева, доцент кафедры материаловедения и инженерии.

Магнитный подход

Предыдущие исследования дали синтетические магнитные частицы для визуализации или отслеживания клеток, но доставка этих частиц в целевые клетки может быть затруднена.

В новом исследовании Ясенофф и его коллеги поставили цель создать генетически кодируемые магнитные частицы. При таком подходе исследователи доставляют в целевые клетки ген магнитного белка, побуждая их самих начать продуцировать этот белок.

"Вместо того чтобы фактически создавать наночастицу в лаборатории и прикреплять ее к клеткам или вводить в клетки, все, что нам нужно сделать, — это ввести ген, кодирующий этот белок", — говорит Ясенофф, который также является ассоциированным членом Института исследований мозга Макговерна MIT.

В качестве отправной точки исследователи использовали ферритин, который переносит запас атомов железа, необходимый каждой клетке в качестве компонентов метаболических ферментов. В надежде создать более магнитную версию ферритина исследователи создали около 10 миллионов вариантов и протестировали их в дрожжевых клетках.

После нескольких раундов скрининга исследователи использовали одного из наиболее перспективных кандидатов для создания магнитного сенсора, состоящего из усиленного ферритина, модифицированного белковой меткой, которая связывается с другим белком — стрептавидином. Это позволило им обнаружить наличие стрептавидина в дрожжевых клетках; однако этот подход также можно адаптировать для нацеливания на другие взаимодействия.

Мутировавший белок, по-видимому, успешно преодолевает один из ключевых недостатков природного ферритина, а именно трудность его загрузки железом, говорит Алан Корецкий, старший научный сотрудник Национального института неврологических расстройств и инсульта.

"Возможность создавать более магнитные индикаторы для МРТ была бы фантастической, и это важный шаг к тому, чтобы сделать этот тип индикатора более надежным", — говорит Корецкий, который не входил в исследовательскую группу.

Детектирование клеточных сигналов

Поскольку полученные ферритины генетически кодируются, их можно производить внутри клеток, запрограммированных на их выработку только при определенных обстоятельствах, например, когда клетка получает какой-либо внешний сигнал, делится или дифференцируется в другой тип клеток. Исследователи могли бы отслеживать эту активность с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), что потенциально позволило бы им наблюдать за коммуникацией между нейронами, активацией иммунных клеток или дифференцировкой стволовых клеток, среди других явлений.

Такие сенсоры также можно использовать для мониторинга эффективности терапии стволовыми клетками, говорит Ясенофф.

"По мере разработки методов терапии стволовыми клетками понадобятся неинвазивные инструменты, позволяющие их измерять", — говорит он. Без такого мониторинга было бы трудно определить, какой эффект оказывает лечение или почему оно может не работать.

Исследователи сейчас работают над адаптацией магнитных сенсоров для работы в клетках млекопитающих. Они также пытаются сделать полученный ферритин еще более сильно магнитным.