Красноярские учёные получили мутантную форму фотопротеина обелина, которая в два раза чувствительнее природного белка к изменению концентрации внутриклеточного кальция. Разработка позволяет обнаруживать слабые кальциевые сигналы, которые раньше ускользали от наблюдения, и открывает новые возможности для изучения клеточных процессов. Результаты исследования опубликованы в журнале “International Journal of Biological Macromolecules”.

Фотопротеины — это белки, которые излучают свет в присутствии ионов кальция. В природе они встречаются у многих организмов, в том числе у светящихся медуз, а в лабораториях их уже давно применяют для отслеживания кальциевых сигналов внутри клеток, поскольку кальций управляет основными клеточными процессами. Удобство фотопротеинов в том, что интенсивность их свечения напрямую зависит от количества кальция: чем его больше, тем ярче сигнал. При этом для реакции не нужны ни кислород, ни дополнительные вещества: достаточно самого белка и ионов кальция. Эти свойства сделали фотопротеины идеальными индикаторами для оценки внутриклеточной концентрации кальция.

Коллектив исследователей из Красноярского научного центра СО РАН улучшил свойства природного светящегося белка обелина, заменив в его структуре аминокислоту изолейцин на другие аминокислотные варианты. В одной из созданных мутантных форм изолейцин был заменен на лейцин. Такой вариант в десятки раз лучше природного белка реагирует на изменение содержания внутриклеточного кальция и может стать основой для нового поколения биотестов.

Этот мутант показал себя стабильным и в условиях живых клеток, где он оказался в два раза более чувствительным к кальцию, чем природная форма белка. Значит, он вдвое точнее, чем природный белок, может отслеживать изменения концентрации кальция в цитоплазме клеток, а также способен регистрировать в клетке даже слабые кальциевые сигналы, которые природный белок не видит.

«Белковая инженерия — эффективный подход к созданию белков с улучшенными свойствами. В природном обелине молекула субстрата, отвечающая за свечение, плотно упакована внутри белка, вокруг которого выстроены остальные части молекулы. Мы предполагаем, что замена изолейцина на лейцин изменяет положение этой молекулы внутри белка. Это формирует структуры с более высоким сродством к ионам кальция, тем самым обеспечивая свечение при значительно меньших концентрациях кальция. Интересно, что аналогичные замены в близких светящихся белках акворине и клитине, которые мы провели для проверки, тоже повысили чувствительность к кальцию, однако прирост сигнала оказался значительно ниже, чем у мутанта обелина», — объясняет руководитель исследования Евгений Высоцкий, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией фотобиологии Института биофизики СО РАН.

«Благодаря повышенной чувствительности полученный белок позволяет фиксировать небольшие изменения концентрации кальция в клетке. Он может стать перспективным инструментом для изучения клеточных процессов, в которых кальций участвует как сигнальная молекула. Также его можно использовать для изучения действия лекарственных препаратов и поиска новых подходов к терапии. К примеру, при помощи мониторинга кальция можно точнее отслеживать, как препарат влияет на клетку, и отбирать на этой основе наиболее перспективные соединения», — уточняет одна из соавторов Наталья Маликова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН.

Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 24-44-00009).