Российские биохимики рассмотрели возможности биологических сенсоров на основе флуо-ресцентных белков и показали, какие биохимические параметры в живом организме можно измерить с их помощью. Часть данных была получены в работе на крысах на основе разра-ботанной учеными технологии. Обзор этой области появился на страницах журнала Free Radical Biology and Medicine. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

«Когда изучают последствия инсульта на моделях лабораторных животных, обычно извле-кают мозг, получают из него гомогенат ткани и далее анализируют биохимические показа-тели. Но ткани уже неживые. Теперь мы сможем наблюдать за биохимическими показателя-ми не просто на уровне тканей живого организма, но и на уровне отдельных клеток и даже их органелл, причем в режиме реального времени», — рассказал соавтор статьи Дмитрий Би-лан, кандидат биологических наук, сотрудник Института биоорганической химии им. Ше-мякина и Овчинникова РАН и РНИМУ им. Пирогова. Биохимические исследования путей развития заболеваний и физиологических процессов в режиме реального времени стали возможны благодаря генетически кодируемым биосенсорам.

В живых организмах существуют белки, которые по своей природе уже выполняют функ-цию сенсоров. Например, подобные белки у бактерий очень разнообразны и могут реги-стрировать совершенно любые биохимические параметры. Это нужно для того, чтобы клет-ка в ответ на изменения среды запускала защитные механизмы, позволяющие ей выжить и приспособиться к новым условиям. Бактериям такие свойства помогают выживать даже в экстремальных условиях.

«Наша задача — искать такие белки, — пояснил Дмитрий Билан. — И дальше в их структуры на генетическом уровне мы вставляем флуоресцентные белки. В итоге мы получаем белко-вую конструкцию, одна часть которой является сенсорной и взаимодействует с интересуе-мым параметром (например, каким-то метаболитом), а другая часть конструкции — это флуо-ресцентный белок, который позволяет нам регистрировать сигнал в виде флуоресценции. При взаимодействии с исследуемым параметром такой искусственный белок претерпевает конформационные изменения, и мы видим изменение спектральных характеристик. Если говорить по-простому, он начинает светиться по-другому. Мы это регистрируем. Например, концентрация изучаемого метаболита в клетке увеличилась — светится ярче, уменьшилась — светится хуже. Далее мы интерпретируем сигнал и получаем динамику изменения исследу-емого параметра прямо в живом объекте в режиме реального времени».

В статье ученые разбили биосенсоры на несколько основных типов. В одном из самых про-стых случаев биосенсор — это обычный флуоресцентный («светящийся») белок, синтез кото-рого «включается» специальной последовательностью — промотором. Если при определен-ных условиях в клетках промотор активируется, то они начинают светиться, поскольку со вставленного гена производится флуоресцентный белок.

В другом простом варианте флуоресцентные белки сами по себе без добавления чувстви-тельных частей или молекул способны изменять спектральные характеристики при колеба-нии некоторых параметров окружающей среды. На таком свойстве флуоресцентных белков разработаны, например, биосенсоры, которые позволяют визуализировать в живых системах разные показатели: кислотность среды, изменение гидростатического давления или динами-ку изменения концентрации некоторых ионов.

Существуют биосенсоры, устроенные сложнее, они состоят из разных функциональных ча-стей. Сенсорные части отвечают за взаимодействие с исследуемым параметром, а флуорес-центная часть позволяет визуализировать эти взаимодействия. Разные биосенсоры могут вызывать разное свечение, поскольку существуют различные голубые, желтые, зеленые, красные флуоресцентные белки. Комбинируя сенсоры в пределах одной живой системы, можно одновременно регистрировать сразу несколько биологических параметров. Такой подход позволяет получить гораздо больше информации.

Ученый рассказал, что подобного рода биосенсоры он и его коллеги могут доставлять направленно в живой организм лабораторного животного с помощью специальных обез-вреженных вирусных частиц. Причем заражение можно сделать специфичным, чтобы в ре-зультате светились только нейроны, клетки глии или даже отдельные органеллы этих кле-ток, например, только митохондрии. Чтобы вирус попал напрямую в мозг, лабораторным крысам делают небольшое отверстие в черепе по рассчитанным координатам и проводят инъекцию вирусных частиц в кору головного мозга. Чтобы дать вирусу «заразить» нужным биосенсором больше клеток, ученые ждут около месяца. За это время в коре головного мозга животных появляется флуоресцентная область — место «заражения» начинает светиться.

«Данный подход позволяет посекундно регистрировать изменения биохимических парамет-ров с самых ранних стадий развития ишемического инсульта мозга у лабораторных живот-ных. Сейчас мы в процессе получения таких данных. Мы показали, что это реализуемо. В перспективе такие подходы будут широко востребованы, они позволят изучать физиологи-ческие процессы и развитие различных заболеваний на уровне живых организмов», — за-ключил Дмитрий Билан.