Белки светят ярче для изучения клеточных процессов

Учёные создали молекулу, которая в живых клетках излучает бирюзовый свет в три раза ярче, чем было возможно ранее. Это повышает чувствительность клеточной визуализации — техники получения изображений биологических процессов внутри живого организма с высоким разрешением. Результаты опубликованы в Nature Communications 20 марта 2012 года.

Исследование возглавил Антуан Руаян из Института структурной биологии (CNRS/CEA/Университет Жозефа Фурье) в Гренобле. В команду также вошли учёные из Амстердамского и Оксфордского университетов, а также из Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.

Циановые флуоресцентные белки (CFP) широко используются в клеточной биологии для визуализации процессов внутри живой клетки или изменений формы крупных биологических молекул. С начала 1990-х годов флуоресцентные белки стали одним из важнейших инструментов в бионауках, позволив наблюдать ранее невидимые процессы, такие как развитие нервных клеток в мозге или распространение раковых клеток. Их открытие и быстрое развитие было отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года.

CFP позволяют отслеживать множество процессов в живых клетках, когда их можно присоединить к белку, участвующему во взаимодействии или изменении конформации. CFP внутри клетки локализуется путём облучения клетки синим светом, что заставляет флуоресцентный белок испускать свет характерного цвета — бирюзовый для CFP. Однако эти молекулы долгое время страдали от слабого уровня флуоресценции, преобразуя лишь 36% падающего синего света в бирюзовый.

Для достижения большей яркости и, как следствие, повышения чувствительности флуоресцентной визуализации, учёные из Франции под руководством Антуана Руаяна объединились с коллегами из Нидерландов и Великобритании.

Сначала, используя высокоинтенсивные рентгеновские лучи на ESRF, команды из Гренобля и Оксфорда раскрыли тонкие детали того, как CFP накапливают поступающую энергию и переизлучают её в виде флуоресцентного света. Они получили микроскопические кристаллы множества различных улучшенных CFP и определили их молекулярные структуры. Эти структуры выявили тонкий процесс вблизи хромофора (светоизлучающего комплекса внутри CFP), эффективность флуоресценции которого можно было модулировать окружающей средой.

Параллельно команда из Амстердама под руководством Теодоруса Гаделлы использовала инновационную методику скрининга для изучения сотен модифицированных молекул CFP, измеряя время их флуоресценции под микроскопом, чтобы определить варианты с улучшенными свойствами.

Результатом этой рациональной разработки стал новый CFP под названием mTurquoise2. Объединив усилия структурной и клеточной биологии, исследователи показали, что mTurquoise2 имеет эффективность флуоресценции 93%, что является рекордом для белков этого типа.

Новая молекула позволит биологам изучать белок-белковые взаимодействия в живых клетках с беспрецедентной чувствительностью. Высокая чувствительность важна для процессов, в которых задействовано лишь несколько белков и сигналы слабы, а также для быстрых реакций, где время для накопления флуоресцентного света ограничено.