BioScience Blog – Научный Биологический блог

Попова К.М., Шишова А.А.

Флуоресцентные белки широко используются в молекулярной биологии в качестве генетически кодируемых маркеров генной экспрессии, белковой локализации и белок-белковых взаимодействий. Они являются незаменимыми инструментами для прижизненного наблюдения клеток и тканей. Эти белки приобретают способность флуоресцировать в ходе автокаталитического созревания без участия каких-либо кофакторов или вспомогательных белков.

Существует ряд сенсоров на основе флуоресцентных белков. Наиболее известными являются сенсоры на окислительно-восстановительный потенциал, pH, ионы Ca2+,сенсоры на галогенид-ионы, сенсор на молекулу цАМФ. В настоящее время направление по разработке флуоресцентных датчиков является развивающимся и перспективным.

Нами была предпринята попытка разработать подход для получения invivoсенсоров на основе перспективного мономерного красного флуоресцентного белка mRFP1, который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими белками: быстрой скоростью созревания, эмиссией флуоресценции в дальней красной области и отсутствием олигомеризации. В работе предложено создать на основе данных о строении белка mRFP1 и активных центров других белковых молекул, связывающихся с заданными лигандами, компьютерные структуры "химерных" белков, совмещающих в себе их свойства, таким образом, чтобы при получении сигнала (например, связывании лиганда) молекула меняла свою конформацию, вследствие чего, менялись бы оптические свойства белка. Для пробной реализации данного подхода были предложены две компьютерные структуры сенсоров на основе красного мономерного флуоресцентного белка (mRFP1) с несколькими заменами: Zn-сенсора (V71H, 72G73, D79C, L81C) и сенсора на окислительно-восстановительный потенциал (H73C, D79C). Сравнение данных анализа полученных траекторий о структуре молекул при наличии (эксперимент в присутствии ионов для Zn-сенсора и с дисульфидной связью для RedOx сенсора) и в отсутствие сигнала позволяет сделать вывод о возможной применимости предложенных структур в качестве сенсоров. Сравнение в присутствии и отсутствии сигнала может выявить различия в структуре и, как следствие, в оптических свойствах молекул.

Для изучения влияния сигнала на структуру сенсоров, проводились расчеты молекулярно-динамических  траекторий  для  созданных  структур  с  использованием пакета программ Gromacs. Моделирование проводится при 300К, давлении – 1 атм, длина траектории – 5 наносекунд. Cравнение данных анализа полученных траекторий о структуре молекул при наличии и при отсутствии сигнала позволяет сделать вывод о возможной применимости предложенных структур в качестве сенсоров.

Структуры "химерных" белков, полученные с использованием разработанного в данной работе подхода могут быть в дальнейшем предложены для получения таких белков методами генной инженерии и применения в качестве генетически-кодируемых invivoсенсоров.