Ученые из Института биофизики СО РАН (Красноярск) вместе с коллегами из Китая клонировали гены, которые кодируют пять новых форм биолюминесцентного белка митрокомина, содержащегося в медузе Mitrocoma cellularia, и впервые определили пространственную структуру этого белка. Свечение белка увеличилось в полтора раза, после того, как исследователи целенаправленно удалили аминокислоту на одном из концов светящейся молекулы. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology

Структура молекулы митрокомина. В центре н...

Структура молекулы митрокомина. В центре находится молекула 2-гидропероксицелентеразина, α-спирали показаны в виде широких цветных линий, кальций-связывающие петли и концевые области — в виде тонких цветных линий.

Многие медузы способны светиться. Светящиеся белки, полученные из медуз, выделяют в отдельную группу фотопротеинов, свечение, которых регулируется кальцием. В каком-то смысле такая молекула — это одноразовое ружье. Заряженная молекула разряжается — испускает квант света — в присутствии кальция или другого иона. Фотопротеины получают свои названия по имени медузы, из которой их выделили. Самый известные в этом семействе белки акворин, выделенный нобелевским лауреатом Осаму Шимамурой, из медуз Aequorea, и обелин, изолированный красноярскими учеными, из беломорских морских светящихся гидроидов Obelia.

Светящиеся кальций-регулируемые белки получили широкое распространение в различных биомедицинских приложениях. Для диагностики заболеваний или исследования внутриклеточных процессов очень удобен их механизм свечения по принципу спускового крючка. С помощью методов генной инженерии можно сделать гибридную конструкцию, которая будет связываться с нужным соединением или органом и после добавления кальция светиться.

Несмотря на небольшие отличия, фотопротеины, выделенные из разных медуз, достаточно похожи. При этом даже в одной медузе часто обнаруживаются несколько близких по структуре форм одного белка. Их синтез связан с наличием в геноме организма нескольких слабо различающихся копий одного гена. Можно сказать, что многие медузы это живые лаборатории, где природа, перебирая генетические варианты, тестирует светящиеся молекулы на работоспособность.

В своей последней работе ученые из Института биофизики СО РАН, который недавно вошел в состав Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН, исследовали свойства фотопротеина из широко распространенной в Тихом океане медузы Mitrocoma cellularia. Из одного образца им удалось выделить пять форм светящего белка митрокомина. Гены, отвечающие за синтез этих белков, были внедрены в клетки кишечной палочки с помощью мобильных генетических элементов-плазмид. После этого возможны детальные исследования структуры белка и его свойств. Кишечная палочка легко культивируется в лаборатории, а наличие в клетке гена медузы позволяет получать светящийся белок в больших количествах.

Медуза Mitrocoma cellularia. Фото с сайта ...

Медуза Mitrocoma cellularia. Фото с сайта http://www.montereybayaquarium.org/animal-guide/invertebrates/cross-jelly

Все белки состоят из последовательностей аминокислот. Их расположение во многом определяет пространственную форму молекулы. Для того чтобы представить, как выглядит белок, проще всего взять длинные бусы и собрать их в комок. Бусины разного цвета это аминокислоты. В природе цепочка собирается не в произвольный комок, а имеет четко определенную форму, которая зависит от расположения разноцветных бусин. Обычно на конце фотопротеинов медуз находится бусина-аминокислота пролин. Митрокомин отличается от своих собратьев, выделенных из других медуз, тем, что после пролина на его конце находится аминокислота тирозин. Когда ученые, с помощью специального метода, удалили эту аминокислоту, свечение мутантного белка выросло в полтора раза по сравнению с дикой природной формой белка.

Митрокомин стал четвертым фотопротеином, структуру которого установили с участием красноярских биофизиков. После этого исследования количество генетически модифицированных штаммов кишечных палочек, способных производить светящиеся белки, в коллекции лаборатории фотобиологии ИБФ СО РАН перевалило за сотню. Исследователи не просто занимаются коллекционированием молекул, излучающих свет, со всего мира. Ранее сибирские ученые предложили использовать конструкции на основе светящихся молекул для диагностики рассеянного склероза и экспресс-диагностики клещевого энцефалита.

Заведующий лабораторией фотобиологии Евгений Высоцкий, отметил, что это качественная, но в каком-то смысле рутинная для современной науки работа.

Да, мы впервые определили структуру именно этого белка — митрокомина. Раньше нашей группой вместе с коллегами из разных стран были определены структуры трех других фотопротеинов — акворина, обелина и беровина. Всего на сегодня открыты девять (акворин, обелин, клитин, митрокомин, беровин, болинопсин, мнемиопсин, батоцировин, симплектин) подобных фотопротеинов, свечение которых зависит от кальция. Если говорить про митрокомин, то вряд ли он найдет применение на практике. Ген, кодирующий синтез этого белка не очень хорошо встраивается в животные клетки, а это главное для биомедицинских целей. С другой стороны, мы пополнили свою «библиотеку» подобных белков. Теперь в нашей лаборатории есть кишечные палочки, которые могут производить больше сотни разных модификаций нескольких фотопротеинов. Все они достаточно похожи по своей структуре, но бывают и отличия. Например, все светящиеся белки, полученные из медуз, заканчиваются аминокислотой пролином, а митрокомин — тирозином. После удаления тирозинового остатка свечение молекулы увеличилось почти в два раза. В целом это фундаментальное исследование, которое направлено на понимание общих принципов работы таких белков.

По словам одного из авторов исследования Людмилы Бураковой, ученым до сих пор ученым до сих по непонятен эволюционный смысл присутствия большого количества разных форм светящихся молекул в одном организме. Медуза митрокома не единственная в своем роде. В геномах других медуз тоже встречаются множественные версии генов, которые кодируют синтез слабо различающихся светящихся белков. То есть одновременно в одном и том же организме происходит синтез нескольких, слабо отличающихся белков, которые выполняют сходные функции. Скорее это вопрос к специалистам по эволюции, — комментирует Людмила — наша задача исследовать многообразие светящихся белков, определить структуру генов, которые отвечают за их синтез, и найти какие-то закономерности в их работе. В будущем это поможет либо выбрать наиболее подходящие молекулы для различных биомедицинских применений, либо конструировать гибридные молекулярные конструкции с заданными свойствами.