Белок-маячок в темной ткани: переключаемые белки для биомедицинской визуализации

Доктор Андре С. Штиль возглавляет группу клеточной инженерии в Институте биологической и медицинской визуализации Helmholtz Munich. Он участвовал в работе над статьей «Генетически кодируемые фото-переключаемые молекулярные сенсоры для оптоакустической и микроскопии сверхвысокого разрешения», опубликованной в Nature Biotechnology.

Как белки помогают в биомедицинской визуализации?

Белки — это молекулы, состоящие из аминокислот. В визуализации можно использовать белки, генерирующие сигналы, например, свет. Преимущество белков в том, что они генетически кодируемы и могут стать частью клетки или организма, в отличие от красителей, которые нужно вводить извне. Это позволяет проводить долгосрочное отслеживание клеток в живых тканях без их повреждения, что важно для изучения болезней и лечения.

В чем секрет создаваемых переключаемых белков?

Переключаемые белки-метки могут менять свое состояние (и генерируемый сигнал) при освещении светом разных цветов. Молекулярный механизм действует как крошечный переключатель, меняющий состояние белка с «включено» на «выключено». В природе такие белки часто отвечают за светозависимые реакции, например, у растений.

Применение в оптоакустической визуализации

Оптоакустическая визуализация — это метод, основанный на регистрации ультразвукового сигнала, генерируемого светом. Он сочетает большую глубину проникновения, высокое разрешение и широкое поле обзора. Однако для многих исследований нужны такие инструменты, как генетически кодируемые репортеры и сенсоры.

Фото-переключаемые белки-метки помогают визуализировать небольшое количество клеток на фоне других сигналов, заставляя метку «мигать». Это похоже на маяк в темную штормовую ночь в море. Возможность увидеть малое число клеток в живом организме критически важна, так как многие биологические явления, особенно в иммунной системе, зависят от небольшого количества клеток. Цель — отслеживать отдельные помеченные клетки в живом организме, чтобы улучшить знания, например, об иммунной системе или развитии опухолей.

Следующая задача: визуализация малых молекул и ионов

Клетки содержат малые молекулы и ионы, которые выполняют специализированные функции (коммуникация, питание, строительные блоки). Их регуляция важна для понимания жизни и болезней. Для их визуализации используются не метки, а сенсоры. Сенсор виден только при наличии интересующей молекулы, что позволяет визуализировать молекулы внутри клетки.

В последнем исследовании концепция фото-переключения была применена к сенсорам. Показано, что фото-переключаемые сенсоры работают как для оптоакустики, так и для микроскопии сверхвысокого разрешения (super-resolution). Совместно с Диерком Нисингом (Helmholtz Munich) были изучены детали молекулярного механизма, а с группой из KTH в Швеции (Илария Теста) получены первые изображения сверхвысокого разрешения с использованием этой концепции.

Такие сенсоры в перспективе позволят визуализировать распределение малых молекул или ионов с нанометровым разрешением. Для оптоакустики цель — отслеживать малые молекулы в целом живом организме. Это задача на ближайшие пять лет.