Сегодня - 21.08.2019

Светящиеся клетки

15 декабря 2011
Евгений ВысоцкийУченые из Института биофизики СО РАН (Красноярск), на протяжении многих лет исследующие явление биолюминесценции, научились применять его для испытания лекарственных веществ и проведения иммуноанализа.
 
Биолюминесценция - способность живых организмов к излучению света. Она представляет собой реакцию, которая запускается специальными ферментами в организме. В живой природе это явление распространено достаточно широко. Светящиеся виды есть как на суше: светляки, черви, бактерии, грибы — так и в морях: кишечнополостные, ракообразные и многие другие. Самый высокоорганизованный вид из тех, что способны к биолюминесценции, — рыбы, чаще всего глубоководные. Свечение происходит за счет специальных белков. Они различаются в каждой группе организмов, как и субстраты, использ
уемые для реакций, в результате которых и выделяется свет. Это говорит о том, что развитие таких систем шло независимо в ходе эволюции. Лаборатория Института биофизики СО РАН (Красноярск) занимается изучением механизмов биолюминесценции и разработкой технологий и методов для практического использования в различных областях. 
 
- Среди многообразия биолюминесцентных систем, которое до конца не изучено, мы занимаемся исследованием целентеразин-зависимых белков, - рассказывает заведующий лабораторией фотобиологии Института биофизики СО РАН кандидат биологических наук Евгений Степанович Высоцкий. - В этот класс входят кальций-регулируемые фотопротеины и люциферазы. Они используют специфический субстрат для свечения – целентеразин. Сначала он был обнаружен у кишечнополостных (отсюда и пошло его название: целентераты – кишечнополостные), потом выяснили, что его используют и ракообразные, и кальмары, и некоторые рыбы – в общем, многие организмы. 
 
Кальций-регулируемые фотопротеины – это белки, которые в себе содержат уже активированный кислородом целентеразин. И для того, чтобы они начали излучать свет, достаточно связывания ионов кальция с этими белками. Это интересно и с прикладной, и с фундаментальной точки зрения. В частности, кальций-регулируемые фотопротеины широко применяются для измерения динамики внутриклеточного кальция. Почему так важно измерять его в живой клетке? Кальций – это универсальный вторичный мессенджер, который регулирует множество внутриклеточных процессов.
Гребневик Bathocyroe fosteri

 

- Мы стараемся понять механизм реакции, выяснить, как устроен белок. Такое знание дает нам возможность изменять свойства фотопротеина, чтобы более эффективно использовать его в различных аналитических приложениях. Например, с помощью методов белковой инженерии мы заменили ряд аминокислот активного центра на другие. Это привело к изменению спектра биолюминесценции. Такая трансформация фотопротеина стала возможна, потому что мы определили его пространственную структуру с субстратом и продуктом реакции. На основании этого мы предложили механизм реакции: как отдельные аминокислоты активного центра этого белка влияют на спектр излучения. В принципе, это открывает возможность, делая спектральное разделение сигнала, сразу следить за изменением кальция или в двух типах клеток, или в разных частях одной и той же клетки, например, в митохондриях, цитоплазме и ядре, т.к. существующие в настоящее время методы молекулярной биологии позволяют доставить индикатор в нужное место.
 
Это можно применять в микробиологии, медицине, фармацевтике и иммуноанализе.
 
- Анализ построен на том, что ген кальций-регулируемого фотопротеина встраивается в клетку и, фактически, когда химическое вещество попадает на рецептор, она отвечает световым сигналом. По уровню этих световых сигналов можно вести селекцию химических веществ. Так, например, проводится система доклинического скрининга. Можно встраивать этот ген в целые организмы, например, в мышь. Сейчас технологии позволяют получать трансгенных мышей, у которых может, например, светиться отдельная группа клеток, отдельная группа тканей. Фактически они являются материалом для испытания лекарственных веществ. 
 
Гидроид Obelia longissima- Или, например, можно сделать раковые клетки, которые способны к свечению. На тех же мышах: имплантировать им раковые клетки и смотреть, как развивается опухоль, воздействовать на нее различными лекарственными препаратами и изучать, как они влияют на рост опухоли; наблюдать за образованием метастаз. Однако для этих целей лучше подходят не кальций-регулируемые фотопротеины, а целентеразин-зависимые люциферазы, которые мы тоже изучаем. Например, нами были клонированы гены, кодирующие целентеразин-зависимую люциферазу морских светящихся копепод (мелкие ракообразные) Metridia, которые для этого вполне подходят. Мы постоянно ведем поиск новых светящихся организмов, которые используют целентеразин как субстрат биолюминесцентной реакции. Поскольку существующие сейчас методы молекулярной биологи позволяют клонировать гены даже из небольшого количества материала, нам достаточно поймать одну особь. Это особенно актуально, т.к. многие морские светящиеся организмы не образуют больших скоплений. 
 
Светящиеся белки можно использовать и в иммуноанализе. Он основан на взаимодействии антитела с антигеном и используется при диагностике различных патологий. Самый чувствительный на сегодняшний день метод — когда антитело помечено изотопом, например, радиоактивным йодом. При проведении анализа измеряется радиоактивность. Но если к антителу вместо изотопа прикрепить светящийся белок, например, кальций-регулируемый фотопротеин, то можно просто измерить свет, добавив кальций. При современном уровне развития аппаратуры чувствительность биолюминесцентного и радиоизотопного анализа практически одинакова. Но биолюминесцентный белок – это совершенно безвредная метка, как для персонала, так и для окружающей среды. 
 
Светящийся гриб Mycena Сhlorophos- Поскольку сейчас используются рекомбинантные белки, получить нужное количество не составляет труда. По стоимости это также эквивалентно изотопному методу, т.к. основная составляющая в стоимости иммунодиагностического набора – это, конечно, стоимость антитела. Несмотря на очевидные преимущества биолюминесцентных технологий, на наш взгляд, к сожалению, в России, в отличие от других стран, они практически не используются. Мы в течение 12 лет сотрудничали с крупной немецкой фармацевтической компанией Bayer AG по получению биолюминесцентных маркеров для создания систем скрининга для доклинических испытаний лекарственных препаратов, поставляли кальций-регулируемый фотопротеин в США, Англию и Канаду для разработки методов иммуноанализа и производства диагностических наборов. В России спроса почти нет.
 
Юлия Позднякова 
 
Фото: shilovpope.livejournal.com, sciencemagic.ru, papiraripap.ru, wikipedia.org
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (3 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus