Встроенные белковые сенсоры позволяют неинвазивно отслеживать молекулярные комплексы в живых клетках

Исследователи из Корнелла нашли новый и потенциально более точный способ наблюдать за тем, что делают белки внутри живых клеток, используя собственные компоненты клеток в качестве встроенных сенсоров.

Этот подход может помочь учёным изучать, как молекулы ассоциируют внутри клеток, в том числе в вирусах, и как белки неправильно сворачиваются при таких заболеваниях, как рак и нейродегенерация.

Исследователи обнаружили новый способ использования естественных белков, производимых клеткой, в качестве крошечных сенсоров для получения информации об их окружении и взаимодействиях. Это позволяет обойтись без традиционных инвазивных методов, которые могут нарушать нормальную биологию клетки и искажать результаты исследований. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Метод в основном полезен для понимания новых биологических механизмов, например, тех, что могут быть задействованы при таких патологических состояниях, как рак, или во время инфекции. Например, можно было бы отслеживать сборку вируса, чтобы понять, как и где его компоненты строятся внутри клеток.

Брайан Крейн и его коллеги сосредоточились на флавинах — небольших молекулах, производных витамина B₂, которые могут действовать как магнитные метки внутри клеток. Это магнитное свойство делает их обнаруживаемыми с помощью метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), который похож на аппарат МРТ, но измеряет чрезвычайно малые изменения и нанометровые расстояния. Отслеживая поведение флавопротеинов (белков, несущих флавины), исследователи могут детектировать, как другие молекулы организуются и движутся в живых клетках.

Поскольку флавопротеины существуют во многих биологических системах, исследователи увидели возможность использовать их как встроенные сенсоры. Активируя магнитные свойства флавина светом, они могли использовать ЭПР для изучения белковых структур непосредственно внутри клеток — без синтетических химикатов.

«Мы изучали свойства определённых флавопротеинов и обнаружили, что их магнитные спиновые состояния в клетках были стабильнее, чем ожидалось. И из предыдущих работ над светочувствительными белками мы поняли, что можем использовать свет для запуска сигнала, необходимого для обнаружения этих молекул с помощью ЭПР».

Внедрение искусственных меток в клетки может нарушить их функцию, но клетки естественным образом производят зонды, содержащие флавин, поэтому «если вы можете заставить клетку сделать их, это намного лучше».

Чтобы проверить новый метод, исследователи изучили бактериальный белок Aer, который помогает E. coli чувствовать кислород. Aer работает с двумя другими белками, CheA и CheW, для передачи сигналов через мембрану. Хотя эти белки изучались и раньше, впервые исследователи смогли напрямую наблюдать, как рецептор Aer собирается внутри живой клетки.

«Мы выяснили, что Aer образует надмолекулярные комплексы — массивы молекул в мембране, которые работают вместе для усиления сигналов. Эти архитектуры нестабильны и не формируются вне клеток».

С помощью ЭПР команда измерила расстояние между двумя флавинами в димере Aer (комплексе из двух идентичных белковых молекул) с точностью до ангстрема. Это не только подтвердило димерную структуру, но и выявило образование более крупных комплексов внутри клеток.

Исследователи также разработали небольшой инженерный флавопротеин под названием iLOV, который можно генетически сшивать с другими белками, чтобы сделать их видимыми для ЭПР. Этот инструмент действует как молекулярная метка, позволяя учёным изучать структуру и положение практически любого белка внутри живой клетки.

Исследование также продемонстрировало, что ЭПР-спектроскопия, ранее в основном ограниченная работой с очищенными белками в пробирках, теперь может использоваться в живых системах с высокой детализацией.

«ЭПР-спектроскопия не ограничивается только изучением очищенных молекул или реконструированных систем».

Сейчас команда адаптирует метод для других типов клеток, в частности, клеток млекопитающих, чтобы проверить возможность отслеживания процессов в более сложных средах.