Ученые из России впервые измерили температуру внутри клеток.

Определить температуру внутри клетки, особенно в ее отдельных частях, непросто, поскольку даже самые миниатюрные термометры оказываются слишком громоздкими для таких измерений. Российские ученые предложили новый подход к решению этой задачи, основанный на использовании термочувствительного красителя — фосфорного комплекса порфирина, люминесценция которого меняется в зависимости от температуры.

Температура оказывает существенное влияние на различные химические и, как следствие, биохимические процессы. Эта взаимосвязь известна ученым давно и, например, описывается правилом Вант-Гоффа, которое было сформулировано в XIX веке.

Более того, многие биологические молекулы чрезвычайно «привередливы» к свойствам раствора, в котором находятся. Одни легко разрушаются от перегрева (денатурация белка), другие перестают работать при понижении температуры. Температурный фактор также важно изучать, поскольку он играет важную роль при развитии некоторых болезней и нормальных физиологических процессов вроде сперматогенеза.

Измерение температуры отдельных органов и тканей относительно просто, однако это становится сложной задачей на клеточном уровне. Любой прибор, очевидно, слишком громоздкий для таких измерений и может нарушить нормальное функционирование клетки в процессе исследования.

Читайте также:  Ученые разработали метод повышения эффективности термоядерных реакторов.

К этому вопросу привлекли российских химиков, которые опубликовали статью в журнале Sensors and Actuators A: Physical. Ученые провели испытания уникальной флуоресцентной молекулы, представляющей собой комплекс порфирина с фосфором (V), который также называют «молекулой-градусником».

Порфирины — это достаточно сложные органические соединения, которые формируются из четырех идентичных пиррольных фрагментов. Каждая молекула имеет структуру «кольца», в центре которого расположены атомы азота или группы -NH. Эта структура лежит в основе функционирования живых клетки создают гем (в составе гемоглобина и цитохромов) и хлорофилл — ключевую молекулу для фотосинтеза.

Ученые обнаружили новые возможности применения этих соединений. Был синтезирован модифицированный комплекс порфирина с фосфором, получивший обозначение MPyPP(OH)2. Данное вещество обладает водной растворимостью и является катионом. Разработчики полагают, что получили перспективный инструмент для внутриклеточной термометрии, то есть для оценки температуры внутри клеток температуры внутри клетки.

Читайте также:  Ученые создали видеозапись динамики кратковременных молекулярных структур в воде.

Это обусловлено тем, что свет, излучаемый люминесцентной молекулой MPyPP(OH)2, изменяется в зависимости от температуры. А именно, меняется время свечения, то есть его длительность. Аналогичные характеристики ранее были зафиксированы у нескольких химических соединений, отличающихся по строению.

Новый термосенсор был протестирован на клеточных культурах, которые широко используются в лабораторных условиях. В ходе испытаний применялись клетки яичника китайского хомячка CHO и HeLa, полученные из опухоли шейки матки. Результаты показали, что MPyPP(OH)2 обладает высокой точностью определения температуры, позволяя фиксировать различия всего в одну десятую градуса.

Установлено, что люминесцентный сигнал комплекса меняется в зависимости от прочности связи между его компонентами — фосфором и порфирином. Эта прочность, в свою очередь, зависит от свойств окружающей среды, включая температуру.

«В результате взаимодействия с коллегами из Санкт-Петербурга было ранее выяснено, что спектр люминесценции данных соединений, а также время их люминесценции, изменяются в зависимости от температуры. В нашей новой работе продемонстрировано, что данный метод эффективен и при работе с живыми клетками. Одновременно было установлено любопытное явление: при поступлении порфиринов фосфора внутрь клеток происходит их дефосфорилизация в результате взаимодействия с белками, что приводит к образованию биосовместимых фосфатов. После доставки синтезированных нами молекул в клетки мы фиксируем люминесценцию свободного порфирина, лишенного фосфора, и на основании спектра этой люминесценции определяем внутриклеточную температуру. В дальнейшем мы намерены расширить перечень исследуемых порфиринов для увеличения чувствительности подобных молекулярных термометров», — прокомментировала академик РАН Юлия Горбунова.

Читайте также:  Ученые нашли способ перерабатывать загрязняющие вещества в ценное промышленное сырье.