Российские биохимики разработали сверхточный биосенсор для изучения обмена веществ в организме

Московские ученые совместно с зарубежными коллегами создали новый биосенсор для наблюдения за процессами метаболизма в живых организмах. Он обнаруживает сверхнизкие концентрации пероксида водорода, регулирующего обмен веществ. Изучать это соединение трудно, ведь его молекулы живут максимум несколько секунд. Биохимический зонд HyPer7 оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее своих предшественников. О своей работе биохимики сообщили в журнале Cell Metabolism. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Перекись водорода H₂О₂ — одна из важнейших молекул в организме живых существ. Она образуется в процессе метаболизма, а также выделяется специализированными ферментными системами. В организме это соединение регулирует работу различных биохимических процессов, но при слишком высоком ее содержании может произойти так называемый окислительный стресс — избыток активных форм кислорода в организме. Он участвует в развитии многих заболеваний, таких как воспалительные, онкологические и нейродегенеративные. Регуляторную функцию молекулы выполняют, находясь в чрезвычайно низких концентрациях, из-за высокой скорости реакции они живут максимум несколько секунд. Эти особенности перекиси водорода сильно затрудняют изучение ее влияния на метаболизм и возникновение патологий.

Разработка российских ученых — плод многолетней работы над биосенсорами, позволяющими наблюдать за пероксидом водорода в клетке с помощью оптики, например микроскопа. Первое поколение отечественных зондов получило мировое признание и расширило знания ученых в области метаболизма, но имело существенный недостаток — они не могли обнаружить сверхнизкие концентрации H₂О₂, с помощью которых реализуется большинство ее функций. Также результаты наблюдения могли быть неточными из-за того, что работа сенсора сильно зависела от кислотности среды.

Обычно биосенсоры — это приборы, которые находят химические соединения с помощью веществ, реагирующих на эти соединения. Например, биосенсоры используются для измерения количества сахара или алкоголя в крови. Но биосенсоры, о которых идет речь в исследовании, являются белковыми молекулами. В основе такого зонда ученые использовали зеленый флуоресцентный белок GFP, способный поглощать свет и через несколько наносекунд испускать его обратно с немного увеличенной длиной волны, то есть «светиться». Такой белок сшивается с другим белком, OxyR, природным сенсором пероксида водорода. В результате «свечение» (флуоресценция) GFP меняет свои свойства при взаимодействии зонда с H₂О₂. OxyR есть почти у всех бактерий. Поскольку исследователи не знали заранее, какой из белков окажется наиболее чувствительным, то выбрали для эксперимента 11 OxyR из разных неродственных друг другу видов микроорганизмов. В итоге сверхчувствительный сенсор получился при сшивании флуоресцентного белка GFP с белком OxyR, содержащимся в бактерии менингококк Neisseria meningitidis, обитающей в носоглотке человека и вызывающей менингит и назофарингит. OxyR этой бактерии реагирует на окисление пероксидом водорода, но при этом нечувствителен к другим активным формам кислорода.

«По-видимому, менингококк в процессе эволюции выработал сверхчувствительный OxyR, строго избирательный к пероксиду водорода. Это нужно для того, чтобы заранее чувствовать активацию нейтрофилов и макрофагов, иммунных клеток организма хозяина, использующих пероксид водорода, чтобы убить бактерию. В ответ менингококк способен усиливать свои антиоксидантные системы, защищающие его от окислительного стресса», — рассказывает Всеволод Белоусов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор биологических наук, заведующий отделом метаболизма и редокс-биологии ИБХ имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, и.о. директора Федерального центра мозга и нейротехнологий МЗ РФ.

По словам ученого, новый зонд HyPer7 — настоящий прорыв в сфере биосенсоров: «Мы получили уникальный индикатор с высокой яркостью и коротким временем отклика, реагирующий на сверхнизкие концентрации перекиси водорода, при этом не зависящий от кислотной среды. HyPer7 оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее предыдущих версий».

С помощью сенсора авторам работы уже удалось изучить детали перемещения молекул H₂О₂ внутри клетки, исследовать роль градиентов пероксида водорода в движении клеток и при повреждении тканей. Разработка биохимиков позволит визуализировать перекись водорода в клетках, тканях и органах, и исследовать роль этой молекулы в нормальных биохимических процессах. Также будет изучена роль перекиси водорода в возникновении и развитии ишемических, нейродегенеративных, воспалительных и онкологических заболеваний, которые тесно связаны с окислительным стрессом. В исследовании российским ученым помогали коллеги из Бельгии, Франции, Германии и США.

Картинка 1. Сотрудники отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН в лаборатории. Слева – Валерий Пак, первый автор статьи.
Источник: из лабораторного архива.

Картинка 2. Несколько поколений лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН. Встреча 2020 года.
Источник: Дарья Смолярова.

Картинка 3. Биосенсор HyPer7 состоит из флуоресцентного белка GFP, сшитого с белком OxyR. Источник: Всеволод Белоусов.

Картинка 4. Градиент пероксида водорода в клетке задает направление ее движения. Стрелка показывает направление движения.
Источник: Всеволод Белоусов, модифицировано из оригинальной публикации.