Ученые расшифровали структуру светящегося белка обелина
В биомедицинских исследованиях на клеточных линиях или в живых тканях часто используются природные белки, которые светятся при изменении концентрации важных для жизнедеятельности клетки веществ. Ученые из МФТИ и ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» определили с высоким разрешением структуру одного из часто используемых в тест-системах светящихся белков. Сравнив конфигурацию белка до и после свечения, они сделали существенный шаг в понимании молекулярного механизма биолюминесцентной реакции. Результаты исследования важны для создания биолюминесцентных репортерных белков для применения в экспериментальной медицине, клеточной биологии и фармацевтической промышленности.
Многие живые организмы светятся. Источник природного света — достаточно сложная биохимическая реакция, в которой специфический фермент люцифераза вызывает окисление небольшой органической молекулы люциферина. Также обнаружены самые разнообразные фотопротеины, которые широко используются в биологических и медицинских исследованиях.
Достаточно перспективны тест-системы на основе фотопротеина обелина из морских светящихся гидроидов Obelia longissima. Белок испускает голубое свечение в ответ на связывание с ионами кальция, который регулирует функционирование практически всех клеток организма. Вместе с тем в биологических задачах гораздо нужнее красное свечение, поскольку оно хорошо проходит сквозь ткани. Чтобы заставить обелин светиться в этом диапазоне спектра, можно использовать его комплексы с другими белками, например, синтетическим аналогом природного люциферина. Биофизики из Красноярска и Долгопрудного при участии коллег из Германии и Франции исследовали, как изменится структура обелина при таком соседстве.
«В этой работе нам удалось получить трехмерную структуру белка обелина в комплексе с синтетическим аналогом природного люциферина, который сдвигает биолюминесценцию в красную область. Однако интенсивность свечения с этим аналогом значительно ниже, чем с природным люциферином. Определив структуру, мы нашли, что продуктом реакции является целентерамин, тогда как при использовании природного люциферина — целентерамид. Так как образование целентерамина происходит в результате реакции, идущей без излучения света, его обнаружение объяснило низкую интенсивность свечения обелина с этим аналогом», — рассказал Павел Наташин, кандидат биологических наук научный сотрудник лаборатории фотобиологии Института биофизики КНЦ СО РАН.
«Для структурных исследований нам были необходимы белковые кристаллы обелина, для формирования которых мы подобрали подходящие условия. Определение пространственной организации белковой молекулы проводили с помощью метода рентгеноструктурного анализа. Данный подход позволяет с высокой точностью рассмотреть положение каждого атома в интересующей нас молекуле. Сравнивая, как меняется структура белка до и после свечения, мы делаем выводы о механизме реакции. Для этих исследований были использованы возможности Европейского центра синхротронного излучения», — пояснил Алексей Мишин, заместитель заведующего лабораторией структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ.
«В данной работе мы показали, что синтетический аналог люциферина неэффективно работает с обелином, но обеспечивает сравнимую с природным люциферином интенсивность излучения с некоторыми другими светящимися молекулами. Это дает нам основание понять, как “подправить” фотопротеин с помощью точечных замен аминокислот, которые снизят или исключат возможность протекания темновой реакции», — резюмировал Евгений Высоцкий, кандидат биологических наук заведующий лабораторией фотобиологии Института биофизики КНЦ СО РАН.
Исследование структуры и фотохимических характеристик свечения белка обелина в комплексе с кальцием и различными химическими соединениями поможет объяснить особенности его функционирования и расширить область его применения.