Химики создали сенсоры для отслеживания калия и натрия в клеточных органеллах

Два исследования учёных Чикагского университета продемонстрировали новый способ заглянуть во внутреннюю работу клеток — в частности, отслеживать поток ионов внутри множества крошечных органелл.

Результаты не только показали работоспособность сенсоров, но и предоставили доказательства, что органеллы действительно регулируют ионы — это был открытый биологический вопрос. Методика может раскрыть новую информацию о функционировании клеток, что улучшит понимание и лечение таких заболеваний, как болезнь Паркинсона. Оба исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

«Недостаточно изученная область»

Клеткам для функционирования необходимы ионы, такие как натрий и калий. Клетки используют их для многих функций, например, сигнализации и мышечных сокращений, поэтому строго контролируют поток ионов внутрь и наружу.

Однако о роли ионов внутри отдельных частей клетки — органелл (тельца Гольджи, лизосомы, митохондрии и др.) — известно меньше.

«Это недостаточно изученная область, потому что у нас не было инструментов для измерения ионов внутри органелл», — сказал химик и соавтор Цзюньи Цзоу. «Но есть веские основания полагать, что концентрации ионов важны внутри органелл».

Цзоу и его коллега Палапураван (использующий одно имя) работают в лаборатории профессора Ямуны Кришнан, которая специализируется на создании крошечных «устройств» из ДНК для исследования внутренней работы клеток.

Поскольку они сделаны из ДНК, они биосовместимы и нетоксичны, что позволяет наблюдать за живыми клетками в процессе их работы — значительное преимущество перед более распространёнными методами, неприменимыми in vivo. Устройства также могут выдерживать уровни pH, которые обычно выводят из строя другие типы сенсоров.

Чтобы доставить сенсоры в конкретный тип органелл внутри определённых клеток, к ним присоединили молекулу, позволяющую сенсорам «путешествовать автостопом» на белке, который в норме перемещается между клеточной мембраной и конкретной органеллой.

Попав внутрь органеллы, сенсоры реагируют с ионами и заставляют их светиться, что учёные могут видеть под микроскопом. «Это позволяет нам количественно определять уровень ионов, измеряя яркость сенсора», — пояснил Цзоу.

Цзоу и Палапураван сосредоточились на разных ионах и разных типах органелл.

Активность в органеллах

Палапураван отслеживал калий внутри органелл, входящих в систему рециркуляции клетки. Эти органеллы, называемые рециклирующими эндосомами, отвечают за сортировку и перемещение ионных каналов к клеточной поверхности и обратно, но никто не проверял, регулируют ли эти каналы уровни ионов где-либо ещё в клетке.

Результаты были ясны. «Ионные каналы определённо активны в органеллах», — сказал Палапураван.

Это открывает новое направление для поиска точной роли концентраций ионов.

«Мы знаем, что ионные каналы вовлечены в такие заболевания, как болезнь Паркинсона, но фармацевтические препараты на сегодняшний день обычно нацелены на ионные каналы только на плазматической мембране, а не в органеллах», — сказал Палапураван. «Их активность внутри органелл может оказаться интересной для разработки новых лекарств».

Роль лизосом

Исследование Цзоу было сосредоточено на отслеживании ионов натрия внутри органеллы, называемой лизосомой. Лизосомы расщепляют клеточный мусор и важны при нескольких заболеваниях, но до сих пор никому не удавалось поместить функционирующий сенсор натрия внутрь.

Используя новые сенсоры, команда обнаружила доказательства того, что лизосомы действительно активно регулируют клеточный натрий, что предполагает их важную роль в помощи клеткам по контролю уровня натрия.

Также было обнаружено, что количество натрия в лизосоме важно для выживания организма в условиях высокой концентрации соли: черви без лизосомальных белков, транспортирующих натрий, с меньшей вероятностью выживали в среде с высоким содержанием соли. «Это интересная связь с метаболизмом всего организма», — сказал Цзоу.

В будущих исследованиях сенсоры должны быть полезны для изучения роли ионов и ионных каналов внутри клеток, открывая двери для нового фундаментального понимания биологии и болезней.

«Я очень взволнован тем фактом, что наши сенсоры показали, что натрий и калий — ионы, столь важные для здоровья и болезней — активно перемещаются через мембраны органелл», — сказал профессор Ямуна Кришнан, старший автор обеих статей.

«Вместе оба открытия меняют наше восприятие мембран органелл: из инертных мешков, чья цель — просто перевозить содержимое к месту назначения, они превращаются в активные структуры, позволяющие их внутренностям общаться с внешней средой».