Термический триггер: учёные разработали управляемый нагревом контроль белка для направленной гибели клеток
Исследователи из Института нанобионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы сообщают в ACS Nano о разработке метода контролируемой активации белков в клетках с помощью нагрева, который можно использовать для запуска запрограммированной гибели клеток.
Клеточные процессы управляются активностью белков. Возможность контролировать функционирование белков крайне важна для разработки биотехнологических инструментов. Однако достижение достаточной пространственной и временной точности такого контроля — серьёзная задача. Один из подходов, называемый термогенетикой, основан на термическом отклике определённых белков, когда небольшой нагрев или охлаждение приводит к их (де)активации.
Конг Куанг Ву и Сатоши Араи из Университета Канадзавы разработали термогенетический инструмент на основе полипептидов, который позволяет легко регулировать температуру активации белка, и использовали его для запуска запрограммированной гибели клеток человека.
Учёные работали с так называемыми эластиноподобными полипептидами (ELP) — биополимерами, состоящими из повторяющихся аминокислотных блоков. ELP растворимы ниже определённой температуры; выше температурного порога они собираются в коацерватные капли.
Температура перехода ELP зависит от точного состава его мономерных блоков, а также от их количества. Изменяя эти характеристики, можно точно настроить температуру перехода ELP, что открывает возможность создания термочувствительных биомолекулярных систем, которые можно активировать и деактивировать нагревом.
Исследователи соединили ELP с белком каспазой-8 (CASP8), который присутствует у человека и других млекопитающих. При активации CASP8 претерпевает структурные преобразования, которые в конечном итоге приводят к гибели клетки-хозяина — процессу, известному как апоптоз.
Целью Ву и Араи было создать ELP с температурой перехода на несколько градусов выше температуры тела, чтобы для индукции перехода "раствор → коацерватные капли" требовался лишь мягкий нагрев. Этот ELP затем был слит с CASP8. Выше температуры перехода комплексы ELP-CASP8 формировали коацерватные капли, заставляя части CASP8 выстраиваться таким образом, что запускалась активация.
Чтобы иметь возможность отслеживать активацию CASP8, учёные разработали индикатор. Механизм индикации включает флуоресцентные белки, которые, как только CASP8 активируется, перемещаются извне внутрь ядра клетки. Измерение интенсивности флуоресценции этих белков в ядре клетки позволило отличить активированный CASP8 от неактивированного.
Для проверки работоспособности предложенной схемы термогенетической активации CASP8 Ву и Араи применили её к клеткам, полученным из человеческой почки. Они обнаружили, что термочувствительная система CASP8 действительно приводила к индуцированной гибели клеток при повышении температуры. Исследователи также провели эксперименты с локальным нагревом с помощью инфракрасного лазера, продемонстрировав, что их подход с термогенетически контролируемым апоптозом работает и на уровне одиночной клетки.
Ву и Араи предполагают, что их термогенетический инструмент может быть применён и к другим клеточным процессам, помимо апоптоза, открывая путь для различных биотехнологических применений. Учёные поясняют: «Заменив CASP8 другими биомолекулами, можно разработать дополнительные термогенетические инструменты для модуляции различных клеточных функций, таких как активность ферментов, белок-белковые взаимодействия и экспрессия генов».