Разработка может применяться в создании лекарств и исследованиях мозга и сердца. Результаты исследования опубликованы в научном журнале ACS Physical Chemistry Au. Статья размещена на обложке печатной версии издания. Исследование поддержано грантом РНФ и посвящено 300-летию СПбГУ.

Клеточная мембрана состоит из белков и липидов и отделяет содержимое клетки от внешней среды, сохраняя её целостность.

Учёные исследуют мембранный потенциал — разницу в электрическом потенциале между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны. Она возникает из-за неравномерного распределения ионов внутри и снаружи клетки.

Изменение мембранного потенциала важно для передачи нервных импульсов, мышечного сокращения и других физиологических процессов. При патологиях, например у раковых клеток, этот показатель меняется.

Один из способов изучения мембранного потенциала клеток — использование флуоресцентных белков. С помощью генной инженерии такие белки вводят в клетку, и они начинают светиться под воздействием света. Интенсивность свечения зависит от величины мембранного потенциала. Это позволяет наблюдать за процессами в клетке в реальном времени. Но возможности применения флуоресцентных белков ограничены из-за слабого сигнала.

Учёные Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами усилили свечение белков, объединив несколько подходов и используя методы направленной эволюции и компьютерного дизайна.

Химики исследовали фоточувствительный мембранный белок археородопсин-3. Подход, который они использовали, может применяться и для разработки других белков.

Руководитель гранта, доцент кафедры медицинской химии СПбГУ доктор химических наук Михаил Рязанцев рассказал, что с помощью методов квантовой химии и биоинформатики были построены «цифровые двойники» набора относительно ярких мутантных форм белка. Это позволило определить отличия между разными формами белков и предложить новые варианты сенсоров для изучения мембранного потенциала.

Исследователь объяснил, что в процессе направленной эволюции создаются мутантные формы белков со случайным распределением аминокислотных замен. На каждом этапе выбираются наиболее приспособленные белки — с наибольшей яркостью свечения. Они используются для создания нового поколения.

Этот подход позволяет учёным улучшить белки даже без информации об их структуре и свойствах. Но, как отмечают авторы работы, не всегда получается создать оптимальный набор аминокислотных замен — как и в природе не всегда формируется оптимальный набор характеристик организма.

Химики СПбГУ выяснили, как усилить яркость свечения, опираясь на результаты компьютерного моделирования.

Оказалось, что отличие ярких вариантов сенсоров от тусклых заключается в состоянии протонирования двух аминокислотных остатков. У ярких сенсоров один остаток протонирован, у тусклых — другой. Переключение происходит за счёт переноса протона по «проводу» из молекул воды, которые нашли учёные СПбГУ с помощью методов компьютерного моделирования.

Учёные создали новый белок-сенсор на основе археоропсина-3. Он обладает более яркой флуоресценцией по сравнению с уже известными вариантами. Кроме того, для активации белка можно использовать «красный» лазер, так как спектр поглощения сдвинут в длинноволновую область. Такое излучение лучше проникает в биологические ткани, что делает применение этих белков в медицине более перспективным, — рассказал научный сотрудник кафедры медицинской химии СПбГУ Дмитрий Николаев.

Усовершенствованные сенсоры могут использоваться в биомедицинских исследованиях, например, при изучении мозга и сердца с помощью флуоресцентного микроскопа. Сенсоры позволяют отслеживать быстрые изменения потенциала отдельных нейронов.

Они также могут быть полезны при разработке лекарств для лечения болезни Паркинсона, эпилепсии и других заболеваний мозга, а также сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, сенсоры применяются для диагностики различных патологий.