19 May 2023, 13:00

Ученые раскрыли механизм свечения фотопротеинов, применяемых в биотехе

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.

Ученые раскрыли механизм свечения фотопротеинов, применяемых в биотехе
Один из этапов подготовки мутантной версии фотопротеина обелина для экспериментального анализа. После добавления раствора хлорида кальция наблюдается длительное свечение
Source: 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. В своей 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 переключить внимание на 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 — ее наличие считается критически важным для протекания реакции», — поясняет Павел Наташин, кандидат биологических наук научный сотрудник лаборатории фотобиологии Института биофизики КНЦ СО РАН.

Эксперименты показали, что сами по себе замены не слишком влияют на свечение белка, хотя некоторые из них ухудшают его параметры, например интенсивность. Вода, как и предполагалось, играет ключевую роль, взаимодействуя с остатком аминокислоты His64. Вместе они выполняют функцию «катализатора», передающего протоны от растворителя к субстрату белка. Последний переходит в нейтральную форму, чей распад затем может обеспечить наибольший световой выход.

«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.

Source:  Пресс-служба МФТИ

News article publications

Read also

Белок шелкопряда поможет понять, как защитить глаза
Он схож с тем белком, что обеспечивает защиту сетчатки от окислительного стресса и дегенерации. Раскрытие авторами его структуры позволит разработать эффективные лекарства от офтальмологических заболеваний
Biotechnology
Molecular Biology
Structural Biology
10 November 2022
Молекула, блокирующая коронавирус
В лаборатории биомедицинской химии ФИЦ Биотехнологии РАН разработали молекулу PDSTP, которая блокирует связывание вируса и клетки хозяина, что приводит к прерыванию жизненного цикла вируса и прекращению его репликации.
Biotechnology
Drug Design
Molecular Biology
Pharmacy
18 November 2021
Ускорен поиск новых лекарств с помощью машинного обучения
В последние годы компьютерное моделирование сильно облегчило создание новых лекарств за счет предсказания структуры молекул и их взаимодействий. Однако даже такой «чисто компьютерный» скрининг может быть слишком дорог и затруднен, если речь идет о миллионах веществ. Поэтому авторы новой статьи в Journal of Chemical Information and Modeling — исследователи из МФТИ, Университетов Гронингена и Гренобля, — сделали этот процесс намного быстрее и эффективнее с помощью активного машинного обучения.
Drug Design
Machine learning
Molecular Biology
13 February 2024
Найдена новая форма жизненно важных белков — актинов
Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института цитологии РАН, Объединенного института ядерных исследований и Университета Южной Флориды (США) изучили инактивированную форму белка актина. Это исследование поможет в понимании механизмов функционирования ядра живой клетки — органеллы, в которой сосредоточен наследственный аппарат, и в разработке новых методов терапии возрастных заболеваний.
Cell Biology
Microbiology
Molecular Biology
11 February 2024
Раскрыты особенности структурной и регуляторной эволюции генов человека
Ученые Сеченовского Университета и МФТИ впервые в мире сравнили скорость регуляторной и структурной эволюции отдельных генов, а также целых молекулярных путей, в которые вовлечены продукты многих генов. Исследование открыло ранее неизвестные особенности молекулярной эволюции генов человека, что впоследствии послужит основной для новых разработок, в том числе в поиске путей лечения различных заболеваний.
Evolution
Evolutionary biology
Genetics
Molecular Biology
7 February 2024
Соседние с опухолью клетки отличаются от здоровых клеток человеческого тела
Международный коллектив представил результаты исследования о воздействии раковых образований на соседние ткани. Ранее это воздействие детально не изучалось. Полученные данные помогут разработать более эффективные методы лечения онкологических заболеваний и создать лекарственные препараты нового поколения.
Cancer Research
Cell Biology
Molecular Biology
Oncology
24 January 2024