Ученые из Корнелла придумали, как заглянуть внутрь живых клеток и увидеть, чем заняты белки — без грубого вмешательства и искажений. Вместо искусственных меток они предлагают использовать сами клетки: их естественные компоненты станут датчиками, которые расскажут о молекулярных процессах.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

Метод поможет изучать, как белки взаимодействуют в вирусах или неправильно сворачиваются при раке и нейродегенеративных заболеваниях.

Все дело в флавинах — небольших молекулах, производных витамина B₂. Они обладают магнитными свойствами, и это позволяет отслеживать их с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) — техники, похожей на МРТ, но работающей с куда меньшими масштабами.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — метод, который улавливает магнитные свойства неспаренных электронов в молекулах. Представьте крошечный компас внутри белка: если его «стрелка» (электрон) реагирует на магнитное поле, прибор это зафиксирует. Так можно измерить расстояния между молекулами с точностью до атома.

Флавины встроены в белки-флавопротеины, которые есть почти во всех живых системах.

Исследователи обнаружили, что если активировать флавины светом, их магнитное состояние станет устойчивым, и тогда ЭПР сможет «увидеть» структуры белков прямо внутри клетки.

Мы изучали флавопротеины и заметили, что их магнитные свойства в клетках стабильнее, чем ожидалось, — говорит Тимоте Шовьер, ведущий автор работы. — А поскольку мы уже работали со светочувствительными белками, то догадались: свет может запускать сигнал, который нужен для детекции.

Обычно ученые вводят в клетки искусственные метки, но это вмешательство может нарушить их работу. Здесь же клетки сами производят нужные сенсоры.

Если заставить клетку сделать их за вас — это куда лучше, — объясняет Брайан Крейн, руководитель исследования.

Чтобы проверить метод, команда изучила бактериальный белок Aer, который помогает кишечной палочке чувствовать кислород. Раньше его изучали только вне клеток, но теперь удалось разглядеть, как он собирается в мембране. Оказалось, Aer образует сложные структуры — димеры и более крупные комплексы, которые усиливают сигналы. Без клеточной среды эти сборки просто не формируются.

Ученые также создали миниатюрный флавопротеин iLOV — его можно пришивать к другим белкам, чтобы следить за ними с помощью ЭПР. Теперь метод, который раньше применяли только к очищенным белкам в пробирках, работает и в живых системах.

Следующий шаг — адаптация метода для млекопитающих. Если получится, можно будет изучать процессы в человеческих клетках с невиданной детализацией.

Этот метод открывает двери для изучения процессов, которые раньше были невидимы. Например:

• Вирусы — можно отследить, как их белки собираются внутри клетки, и найти уязвимые места.
• Рак — многие опухоли связаны с неправильной работой белков, и теперь их аномалии можно увидеть в реальном времени.
• Нейродегенерация — при болезнях вроде Альцгеймера белки образуют токсичные скопления, и новая техника поможет понять, как это происходит.

Главное преимущество — отсутствие вмешательства. Клетка живет своей жизнью, а ученые получают точные данные.

Метод пока ограничен:

• Работает только с флавопротеинами или белками, к которым можно пришить iLOV.
• ЭПР-спектроскопия требует сложного оборудования, и не каждая лаборатория сможет это повторить.
• В человеческих клетках флавинов меньше, чем в бактериях, и сигнал может быть слабее.

Ранее российские ученые обнаружили причину, по которой рак легкого не реагирует на химиотерапию.