Ученые из Долгопрудного, Красноярска и Дубны предприняли попытку разобраться в механизме свечения белка гидромедузы (фотопротеина), который широко используется при проведении биомедицинских анализов. Для этого были исследованы фотопротеины с мутациями, затрагивающими ключевые участки белковой молекулы. Мутантные белки не потеряли способности к биолюминесценции, однако изменили продолжительность и яркость свечения. Опубликованные в журнале International Journal of Molecular Sciences результаты могут быть полезны для конструирования новых вариантов фотопротеинов с желаемыми характеристиками биолюминесценции.
Один из этапов подготовки мутантной версии фотопротеина обелина для экспериментального анализа. После добавления раствора хлорида кальция наблюдается длительное свечение © Павел Наташин
Светящиеся белки-фотопротеины из медузы Aequorea victoria и гидроида Obelia longissima — «рабочие лошадки» биотехнологов. Ключевой их особенностью является способность светиться голубым светом при взаимодействии с кальцием. После того как в 90-х годах XX века были обнаружены гены, ответственные за производство акворина и обелина, их использование в генной инженерии в качестве молекулярных светящихся сенсоров возрастало с каждым годом.
Поскольку реакция свечения фотопротеинов запускается повышением концентрации ионов кальция в цитоплазме, это может служить инструментом для исследования процессов клеточного деления, мышечных сокращений, передачи нервных импульсов, а также клеточной секреции. Фотопротеины, гены которых встраивались в различные организмы: от бактерий E. coli до млекопитающих, теперь помогают в изучении разнообразных событий, происходящих внутри клеток.
Тем не менее до сих пор не вполне ясна последовательность промежуточных стадий превращения субстрата фотопротеина в продукт реакции. Этот процесс превращения и лежит в основе реакции биолюминесценции.
Чтобы его понять, ученым необходимо знать строение активного центра белка. Так, в предыдущей работе, посвященной обелину, биофизики из МФТИ и Института Биофизики СО РАН с коллегами исследовали особенности его свечения в комплексе с химически измененным искусственным субстратом фотопротеина. Продолжая исследования, ученые решили на этот раз перестроить активный центр самого белка. Для этого с помощью генной инженерии была произведена замена нескольких нуклеотидов в гене фотопротеина, встроенного в E. coli.
«Мы использовали кишечную палочку для производства “мутантных” версий акворина и обелина. Так нам удалось получить фотопротеины, в активном центре которых не присутствует молекула воды. Наличие молекулы воды считается критически важным для протекания реакции, — поясняет Павел Наташин, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории фотобиологии Института биофизики КНЦ СО РАН. — Оказалось, что реакция все-таки протекает, но при этом меняются интенсивность свечения и его продолжительность — вместо вспышки наблюдалось длительное свечение. Наша основная цель — научиться конструировать биолюминесцентные белки с заданными свойствами, чтобы иметь необходимый инструмент для каждой экспериментальной задачи. Например, интересно получить фотопротеин, светящийся красным светом, так как этот свет хорошо проходит через живые ткани лабораторных животных».
«Рациональное проектирование — это один из методов в инженерии белков, когда ученые пытаются создавать белки с улучшенными свойствами, основываясь на их трехмерной структуре и взаимосвязи между структурой и функцией. Проделанная нами работа как раз позволяет увидеть такую взаимосвязь и более осмысленно подходить к задачам создания белков с желаемыми характеристиками», — заключает Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (№ 22-14-00125).
Информация и фото предоставлены пресс-службой МФТИ