Свет светлячка позволил создать сенсор для обнаружения изменений в клетках

Ген фермента из светлячка, обнаруженного в кампусе Университета Сан-Паулу (UFSCar) в Сорокабе (Бразилия), позволил создать биосенсор, способный обнаруживать изменения pH в клетках млекопитающих. Это может быть полезно, например, для изучения болезней и оценки токсичности кандидатов в лекарства.

Люцифераза из вида Amydetes vivianii меняет цвет свечения с сине-зеленого на желтый и красный по мере снижения кислотности в фибробластах — самом распространенном типе клеток соединительной ткани. Это происходит с высокой интенсивностью и стабильностью, чего не удавалось достичь с другими люциферазами, тестировавшимися исследовательской группой.

Работа опубликована в журнале Biosensors.

Люциферазы — это ферменты, обнаруженные в биолюминесцентных организмах, которые производят свет путем окисления люциферина. Изучаемая люцифераза происходит от вида, открытого в 2006 году одним из координаторов исследования Вадимом Вивиани. Фермент был клонирован его исследовательской группой в 2011 году.

"Изменения pH внутри клетки могут указывать на такие процессы, как гомеостаз, пролиферация и гибель клеток. Наша техника имеет потенциал для изучения болезней или токсичности лекарств", — отмечает Ванесса Бевилаква, первый автор статьи.

Другие люциферазы, протестированные группой, давали красноватый свет, который меньше менял цвет при температуре 36 °C, при которой функционируют клетки млекопитающих.

"Новая люцифераза была модифицирована для лучшей экспрессии в клетках млекопитающих. Помимо более широкого диапазона изменения цвета света, она обладает большей стабильностью и обеспечивает более сильное свечение. Техника нетоксична и не зависит от внешнего источника света, как в случае с флуоресценцией", — объясняет Вадим Вивиани.

Помимо захвата изображений биолюминесценции с помощью фотодетектирующих камер, тесты группы также позволили сфотографировать свет, излучаемый люциферазами в клетках млекопитающих, даже с помощью камеры смартфона.

Свечение было интенсивным в первые 30 минут, а затем начало угасать. Хотя и более слабое, оно продолжалось не менее 12 часов — хотя обнаружить его можно было только с помощью продвинутого фотодетектирующего оборудования.

"Таким образом, можно использовать цвет света для индикации pH внутри клеток, включая человеческие, и делать выводы о наличии клеточного стресса или другого эффекта, связанного с кислотностью. Это нечто беспрецедентное, и мы разработали это полностью в Бразилии", — добавляет Вивиани.

В предыдущих исследованиях ученые уже разработали использование люциферазы другого светлячка (рода Macrolampis) для индикации pH бактериальных клеток. Однако в клетках млекопитающих биолюминесценция от этой люциферазы была очень красноватой и мало менялась с изменением pH, ей не хватало стабильности выше 36 °C.

Во время пандемии группа Вивиани также разработала иммуноанализ для обнаружения COVID-19 на основе люциферазы Amydetes vivianii, которая светится при контакте с антителами к SARS-CoV-2.

С завершением этой работы лаборатория под руководством профессора UFSCar, уже имеющая уникальную инфраструктуру для изучения и применения биолюминесценции, также приобрела возможность проводить биолюминесцентные тесты на клетках млекопитающих.

"С этим развитием мы открыли целый спектр возможностей: от биоанализов на токсичность лекарств и косметики до изучения эффекта биоматериалов на человеческие клетки и даже новых способов исследования раковых клеток", — заключает Бевилаква.