Пенсионный советник

Органы без скальпеля

Новые флуоресцирующие маркеры из бактерий помогут увидеть ткани и органы прямо в организме человека

Лариса Аксенова 09.09.2013, 10:24
Без фотоактивируемых белков была бы невозможна современная микроскопия сверхвысокого разрешения В.Верхуша
Без фотоактивируемых белков была бы невозможна современная микроскопия сверхвысокого разрешения

Сразу три типа флуоресцирующих маркеров на основе бактериальных фитохромов были созданы в лаборатории Владислава Верхуши. Они открывают новые возможности в диагностике злокачественных опухолей. Об этом ученый рассказал в интервью «Газете.Ru».

Когда мы говорим, что трава зеленая, это означает, что лист отражает световые волны зеленой области спектра, а все остальные поглощает. Если выделить основной пигмент зеленого листа, хлорофилл, и в темной комнате посветить на него синим светодиодным фонариком, хлорофилл ответит непродолжительной вспышкой насыщенного рубинового цвета — флуоресценцией. В арсенале растений есть и другие светочувствительные молекулы, называемые фитохромами – от греческих слов phyton (растение) и chroma (цвет, краска). Основное их предназначение – регулировать циркадные ритмы, цветение, прорастание семян. Обнаружены фитохромы и у некоторых фотосинтетических бактерий. О том, какую пользу это явление может принести биомедицине, «Газете.Ru» рассказал руководитель исследования Владислав Верхуша.

Результатом исследований в данном направлении стали три недавние научные публикации: в Nature Methods, Chemistry & Biology и Nature Communications.

– Владислав Витальевич, как возникла идея использовать фитохромы бактерий в качестве маркеров живых клеток млекопитающих? Ведь в царстве бактерий фитохром – большая редкость. Почему бы не взять для этих целей растительный фитохром?

– Растения, в отличие от бактерий, в качестве светопоглощающей основы фитохрома – хромофора – используют такие производные гема, которые полностью отсутствуют у млекопитающих. А вот у некоторых бактерий (и это просто удивительное совпадение!) в состав их фитохромов входит предшественник билирубина млекопитающих – биливердин. И это означает, что бактериальные фитохромы сохранят часть своих функций, если ввести их животным или даже человеку.

– Биливердин, если я правильно понимаю, — это что-то, что есть у нас в печени?

– Да, биливердин – это промежуточный продукт на пути превращения гемоглобина в компонент желчи, билирубин.

– А каков практический эффект от применения именно ваших белковых конструкций? Ведь не вы первые: работы в этом направлении ведут во многих лабораториях. Есть, например, «зелёный флуоресцирующий белок» и другие.

– Чтобы получить изображения живых тканей и органов млекопитающих, включая человека, с использованием флуоресцентных маркеров, наблюдения лучше всего проводить в ближне-инфракрасном «окне прозрачности» тканей (650–900 нм). В этой области спектра поглощение света естественными хромофорами (гемоглобином эритроцитов и черным пигментом меланином, присутствующим в клетках эпидермиса кожи, печени и других органов и тканей) пренебрежимо мало, молекулы воды в этой области тоже не поглощают. Флуоресцентные белки из широко используемого семейства зелёного флуоресцентного белка плохо пригодны для таких целей, так как флуоресцируют за пределами ближне-инфракрасного «окна». На настоящий момент только полученные в нашей лаборатории методами молекулярной инженерии из бактериальных фитохромов флуоресцентные белки способны подавать световой сигнал из таких глубин органов и тканей, где другие маркеры глушатся гемоглобином и меланином. Эти белки помогают рассмотреть процессы, происходящие в живом организме на глубине до 20 мм.

Флуоресцентные белки помогают «рассмотреть» процессы, происходящие в живом организме на глубине до... В.Верхуша
Флуоресцентные белки помогают «рассмотреть» процессы, происходящие в живом организме на глубине до 20 мм.

– Как я понимаю, используя новые флуоресцентные белки, можно по-разному окрашивать живые ткани и одновременно наблюдать за различными биологическими структурами?

– Да, если лабораторной мыши пересадить клетки опухоли молочной железы, в которых синтезируется один из наших белков, то уже через неделю с его помощью мы получим информацию о росте этой опухоли, а другой белок одновременно может сообщать, скажем, о функциональном состоянии печени. Сделать такое свечение видимым можно, подсвечивая ткани светом определенной длины волны. Справа на рисунке вы видите, как можно визуализировать свечение с помощью неинвазивной (без повреждения тканей) флуоресцентной томографии. Раковая опухоль, в которой синтезируется один ближне-инфракрасный флуоресцентный белок, здесь помечена условным зелёным цветом, а печень, «окрашенная» другим белком, – красным.

Как можно визуализировать свечение с помощью неинвазивной (без повреждения тканей) флуоресцентной... В.Верхуша
Как можно визуализировать свечение с помощью неинвазивной (без повреждения тканей) флуоресцентной томографии

– Все новые модификации фитохромов, полученные вами из бактерий, обладают одинаковыми свойствами?

– Не совсем так. Мы создали три различных типа новых генетически кодируемых ближне-инфракрасных флуоресцентных маркеров – методами мутагенеза заменили некоторые аминокислоты в молекулах бактериальных фитохромов. В результате первый тип белков, о которых шла речь выше, сохранил лишь одну из способностей природного фитохрома – «чувствовать» свет в ближне-инфракрасной области спектра. При освещении светом соответствующей длины волны такие белки флуоресцируют постоянно.

Сходными свойствами обладает и зонд, состоящий из двух «половинок», которые могут собираться воедино при определенных условиях и только после этого флуоресцировать. Такой собирающийся «репортёр» можно использовать для детекции белок-белковых взаимодействий глубоко в организме. В модельном примере, который продемонстрирован в нашей статье, зонд собирался и в пробирке, и в живой ткани.

Наконец, в третьем типе маркеров мы сохранили способность природных фитохромов совершать структурный переход в ответ на дальне-красный свет. Исходно эти белки практически не флуоресцируют. Для «включения» флуоресценции их нужно лишь кратковременно облучить импульсом света, то есть фотоактивировать. И только после этого они начнут «светиться». Кстати, без фотоактивируемых белков была бы невозможна современная микроскопия сверхвысокого разрешения, когда оптическими методами вы получаете изображения клеток с пространственным разрешением в десять раз выше, чем достижимые на современном конфокальном микроскопе.

– Какие возможности дают новые маркеры для медицинской диагностики?

– В целом все три типа ближне-инфракрасных маркеров позволят увидеть многие биологические процессы, происходящие глубоко в тканях живых организмов. С их помощью можно будет проводить многоцветовое мечение клеток и целых органов, следить за динамикой отдельных групп клеток и даже наблюдать, как происходят белковые взаимодействия в организмах млекопитающих.