Гем — ядовитое питательное вещество, отслеживаемое сенсором «Зелёного Фонаря»

Минимальное количество яда полезно для организма, по крайней мере, если это гем.

В крошечных количествах он работает в клетках как важнейший катализатор (кофактор) и как сигнальная молекула, запускающая другие процессы. Впервые исследователям удалось отследить эту активность внутри живых клеток.

«Плохое управление гемом может вызывать такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания и некоторые виды рака, поэтому клетки должны тщательно контролировать количество доступного гема», — говорит биохимик Амит Редди. Новые биосенсоры, отслеживающие гем в клетках, открывают окно в то, как клетки обеспечивают наличие этого «существенного токсина» в строго ограниченных концентрациях.

Гем как в «гемоглобине»

Гем известен как центральная часть молекулы гемоглобина, компонента красных кровяных телец, ответственного за перенос кислорода. К иону железа в молекуле гема присоединяется молекула кислорода.

В гемоглобине гем прочно встроен в белок, что делает его нетоксичным. Долгое время считалось, что гем в клетках в основном статичен и прочно связан с белками.

Результаты нового исследования опровергают это предположение. Работа опубликована 30 мая 2016 года в Proceedings of the National Academy of Sciences при поддержке Национального научного фонда и Национальных институтов здоровья США.

Потенциально опасное питательное вещество

Лабильный (подвижный) гем действует как питательное вещество, а не как яд. Но чтобы так и оставалось, его транспорт в клетке должен быть строго контролируемым.

Исследовательская группа под руководством Редди разработала флуоресцентный сенсор для отслеживания гема. При очень низком базовом уровне гема сенсор светился ярко-зелёным светом. С ростом концентрации гема свечение затухало.

С помощью сенсоров аспирант Джорджии Осирис Мартинес-Гусман обнаружил, что фермент GAPDH (известный участием в расщеплении сахара) помогает буферизовать клеточный лабильный гем (железопротопорфирин IX), связывая его с белками. Это оставляет свободным для биохимических реакций лишь ограниченное количество гема.

Когда требуется больше лабильного гема, сигнальная молекула оксид азота (NO) быстро высвобождает гем из связывающих белков, позволяя ему выполнять такие функции, как регуляция экспрессии генов.

Свечение «Зелёного Фонаря»

«Если увеличить концентрацию оксида азота, вы увидите, как зелёное свечение сенсора тускнеет по мере высвобождения гема, а затем снова становится ярче, когда гем снова связывается», — объясняет Редди.

Отсутствие сенсора было одной из причин, по которой лабильный гем ранее не наблюдался. Исследователи использовали ратиометрический флуоресцентный подход, создав сенсор, работу которого можно сравнить с супергероем «Зелёный Фонарь».

«Он удерживает молекулы гема перед своим зелёным светом, и они блокируют его, делая свечение тусклее», — проводит аналогию Редди.

Ратиометрические методы не новы, но новая методика уникальна, поскольку специфично чувствительна к гему. Учёные взяли гем-связывающий белок из бактерий и присоединили его к зелёному флуоресцентному белку.

Синий лазер «заряжает» часть сенсорного белкового комплекса, как светящуюся в темноте наклейку, после чего она переизлучает зелёный свет. «Вы видите, как это зелёное изображение исчезает и появляется в зависимости от количества доступного гема. Можно наблюдать происходящее в реальном времени».