ВЫПУСК 105

«Кофейные кольца» помогают биосенсорам диагностировать болезни

Область разработки биодатчиков недавно нашла неожиданного «помощника» в поиске методов увеличения чувствительности: кофейные кольца. В следующий раз, когда вы разольете на стол кофе, посмотрите на пятно, оставшееся после того, как жидкость испарится. Вы заметите, что пятно имеет более темное кольцо по периметру, где обнаруживается гораздо более высокая концентрация частиц, чем в центре.

Так как подобное «кофейное кольцо» наблюдается при испарении и многих других жидкостей, ученые предположили, что с помощью биосенсоров такие кольца можно использовать для изучения крови или других жидкостей в качестве маркеров заболеваний. Но для практического их использования, вероятно, потребуется лучшее понимание того, как такие кольца ведут себя в микро- и наномасштабе.

«Понимание перемещения микро- и наночастиц в пределах высыхающих капелек жидкости имеет большой потенциал для целого ряда технологических применений, включая самосборку наноструктур, нанесение покрытия на частицы, концентрацию и разделение биомолекул», - говорит Ши-Мин Хо (Chih-Ming Ho), профессор Школы инженерии и прикладной науки Генри Сэмьюэли (Henry Samueli School of Engineering and Applied Science) и директор Центра изучения регуляции клетки (Center for Cell Control) Университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California - Los Angeles - UCLA). «Однако прежде, чем мы сможет сконструировать биосенсорные устройства для применения в этих областях, мы должны знать характерные границы этого явления. Поэтому чтобы найти самый низкий порог образования кофейного кольца, мы обратились к области физической химии».

Исследовательская группа под руководством Хо, члена Национальной академии инженерии (National Academy of Engineering), зафиксировала минимальный микроскопический порог образования кофейного кольца, который может быть использован в качестве стандарта в биосенсорных устройствах для диагностики многих заболеваний. Исследование опубликовано в текущем номере журнала Journal of Physical Chemistry B и доступно в Интернете.

«В человеческой крови или слюне содержится большое количество микро- и наноразмерных молекул или частиц, несущих важную информацию о здоровье», - говорит один из исследователей Так-Синг Вонг (Tak-Sing Wong). «Если поместить кровь или слюну на какую-либо поверхность, то после их высыхания такие частицы соберутся в пределах очень небольшого пространства кольца. Мы можем подсчитать такие биомаркеры с помощью различных чувствительных методов, даже если они очень малы и находятся в каплях в небольших количествах».

По мере того, как жидкость из капель испаряется, взвешенные в ней частицы перемещаются к краям капли. Когда испаряется вся вода, частицы концентрируются в кольце вокруг оставшегося пятна. Однако если капля достаточно мала, вода испарится быстрее, чем частицы успеют переместиться. Вместо образования кольца произойдет относительно равномерное распределение концентрации в пределах всего пятна, так как у частиц не было достаточно времени, чтобы переместиться к его краям, пока они еще находились в жидкости.

«Идет соревнование между временем испарения капель и временем перемещения частиц, что и определяет образование кофейного кольца», - говорит ведущий автор статьи Сяоин Шен (Xiaoying Shen), специализирующийся в области микроэлектроники студент Пекинского университета (Китай), принимавший участие в этих экспериментами в рамках Междисциплинарной студенческой программы по науке и технологии (Cross Disciplinary Scholars in Science and Technology) при Университете Калифорнии – Лос-Анджелес.

Чтобы определить наименьший размер капли, испарение которой еще сопровождается образованием кофейного кольца, ученые изготовили специальную поверхность, покрытую в шахматном порядке гидрофобными и гидрофильными материалами.

На эту поверхность были помещены латексные частицы размером от 20 до 100 нанометров, находящиеся в воде. Частицы были близки по размерам к белковым маркерам заболеваний, которые распознаются биосенсорными устройствами.

Ученые вымыли новую поверхность содержащей частицы водой. Оставшаяся вода «выстроилась» в виде капель на гидрофильных участках, как шашки на шашечной доске. Они повторяли эксперименты со все более мелкими ячейками, до тех пор пока феномен кофейного кольца больше не обнаруживался. Для частиц размером в 100 нанометров это происходит при диаметре капли около 10 микрометров, или примерно в 10 раз меньше толщины человеческого волоса. Начиная с этой отметки, вода испаряется раньше, чем частицы успевают переместиться к периметру.

«Зная точный минимальный размер так называемого кофейного кольца, мы создадим самый маленький из возможных биосенсоров», - говорит Вонг. «Это значит, что мы сможем разместить в одном приборе тысячи, даже миллионы маленьких микробиосенсоров, позволяющих проводить большое количество различных медицинских диагностик на одном чипе. Это может открыть двери к потенциальному выявлению многих болезней в течение одного исследования».

«Есть и другое важное преимущество – весь процесс вполне естественен, это просто испарение», - добавляет Вонг. «Для перемещения частиц нам не нужны дополнительные устройства, такие как источники электропитания или другие сложные инструменты. Испарение предоставляет очень простой способ концентрации частиц и имеет потенциал в области медицинской диагностики. Например, ученые Университета Вандербильта (Vanderbilt University) недавно получили грант от Фонда Билла Гейтса (Gates Foundation) за предложение использовать феномен кофейного кольца для диагностики малярии в развивающихся странах».

В настоящее время исследователи заняты оптимизацией параметров образования кольца, а затем планируют изучить применение этого подхода к биосенсорным технологиям, разрабатываемым в лаборатории Хо.

Аннотация к статье Xiaoying Shen, Chih-Ming Ho, Tak-Sing Wong. Minimal Size of Coffee Ring Structure.

Оригинал статьи

UCLA researchers show how world's smallest 'coffee ring' may help biosensors detect disease

Многоступенчатая нановекторная система доставки siРНК в раковые опухоли

Новое исследование ученых из Научного центра здоровья (Health Science Center) Университета Техаса (The University of Texas – UT) в Хьюстоне и Онкологического центра Андерсона (M. D. Anderson Cancer Center) UT может значительно приблизить практическое применение перспективных экспериментальных методов лечения рака – использование малых интерферирующих РНК (siRNA).

Введение siРНК является частью инновационной стратегии, снижающей активность связанных с раком генов, которая уже широко применяется для лечения других заболеваний.

В майском номере журнала Cancer Research ученые сообщили, что многоступенчатая нановекторная система доставки siРНК значительно удлиняет терапевтический эффект лечения, что было продемонстрировано на двух независимых моделях метастатического рака яичников у мышей.

Исследователи сообщили, что одна доза введенных внутривенно siРНК, ориентированных на онкобелок EphA2, в течение трех недель вызывает такую же степень уменьшения опухоли, которая достигается шестью дозами без применения многоступенчатой нановекторной системы за тот же период времени.

«Система многоступенчатой доставки является революционной, так как она позволяет терапевтическому грузу проникать через биологические барьеры организма и достигать цели. Кроме того, она помогает высвобождать терапевтические агенты в течение длительного периода времени непосредственно в кровь, что является беспрецедентным», - говорит Мауро Феррари (Mauro Ferrari), руководитель Отделения наномедицины и биомедицинской инженерии Медицинской школы при UT в Хьюстоне, являющейся частью Научного центра здоровья UT. «Мы очень довольны результатами нашей работы, так как она представляет собой первую проверку терапевтических преимуществ многоступенчатой системы доставки на животных моделях рака».

Многоступенчатая нановекторная система состоит из частиц-носителей из мезопористого кремния (стадия 1 – микрочастицы, S1MP), с размером примерно в 100 раз меньше толщины волоса, которые можно загрузить мельчайшими пузырьками жира, называемыми нанолипосомами (диолеоил фосфатидилхолина - dioleoyl phosphatidylcholine - DOPC), содержащими ориентированные на онкобелок EphA2 siРНК. Система обеспечивает выделение нейтральных нанолипосом и siРНК.

Однократное введение S1MP, загруженных EphA2-siRNA-DOPC, значительно сокращает тяжесть опухоли, ангиогенез и клеточную пролиферацию по сравнению с контрольным введением одних siРНК, не приводя к каким-либо существенным изменениям в биохимии сыворотки крови или в провоспалительных цитокинах.

«Это захватывающая разработка, так как РНК-интерференция хорошо зарекомендовала себя на животных моделях, но имеет такой короткий период полувыведения, что требует частого применения. Дозировка, рассчитанная на трехнедельный период, значительно ближе по продолжительности к дозировке, необходимой для надлежащей проверки этого метода терапии в клинических условиях», - говорит доктор медицины Анил Суд (Anil Sood), профессор Отделения гинекологической онкологии и биологии рака Онкологического центра Андерсона UT.

Многоступенчатая нановекторная система доставки была разработана в лаборатории Феррари, а липосомальная siРНК - в Онкологическом центре Андерсона.

«Мы впервые представили in vivo терапевтическое подтверждение эффективности новой многоступенчатой системы доставки siРНК для продолжительного «выключения» генов с широкими возможностями применения при патологии», - пишут в статье Такеми Танака (Takemi Tanaka), доктор философии, научный сотрудник Отделения наномедицины и биомедицинской инженерии Медицинской школы UT в Хьюстоне, и другие исследователи.

«Онкобелок EphA2 – важная мишень, так как его гиперэкспрессия наблюдается в 70% случаев рака яичников и в значительной степени связана с низкой выживаемостью и более высокой вероятностью метастазирования опухоли», - говорит доктор медицины Габриэль Лопез-Берестейн (Gabriel Lopez-Berestein), профессор экспериментальных методов терапии Онкологического центра Андерсона UT. Гиперэкспрессия EphA2 наблюдается также и при меланоме, раке молочной железы и легких и ассоциируется с плохим прогнозом для пациентов.

Белок не присутствует в нормальных тканях, и на него нельзя воздействовать с помощью более традиционных фармакологических подходов.

Аннотация к статье Gabriel Lopez-Berestein, Anil K. Sood, Mauro Ferrari. Sustained Small Interfering RNA Delivery by Mesoporous Silicon Particles

Оригинал статьи

Multistage nanovector system provides sustained delivery of siRNA cancer therapeutic in mice

Молекулярные роботы: наноразмерные «пауки» идут к цели

Группа ученых из Колумбийского университета (Columbia University), Государственного университета Аризоны (Arizona State University), Университета Мичигана (University of Michigan) и Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology - Caltech) сконструировала автономный молекулярный «робот» из ДНК, способный автономно начинать движение, перемещаться, менять направление и останавливаться, двигаясь по цепочкам ДНК.

В конечном итоге разработка может привести к созданию молекулярных систем, которые однажды могут быть использованы в качестве медицинских терапевтических устройств и реконфигурируемых роботов молекулярного масштаба – роботов, сделанных из простых единиц, способных изменять и даже восстанавливать себя для выполнения различных задач.

Статья, описывающая работу, опубликована в текущем номере журнала Nature.

Традиционно робот рассматривается как «машина, которая воспринимает окружающую среду, принимает решение и затем что-либо делает – робот действует», говорит Эрик Винфри (Erik Winfree), адъюнкт-профессор Калифорнийского технологического института.

Сокращение размеров робота до молекулярного масштаба даст такие же преимущества в области молекулярных процессов, какие классическая робототехника и автоматизация предоставляют в макроскопическом масштабе. Теоретически молекулярные роботы могут быть запрограммированы на восприятие окружающей их среды (например, присутствие в клетке маркеров какого-либо заболевания), принятие решения (что клетка является раковой и должна быть нейтрализована) и действие, определяемое принятым решением (доставка убивающих рак лекарственных препаратов).

Или, как на современных заводах, их можно запрограммировать на сборку сложных молекулярных продуктов. Преимущество робототехники заключается в том, что однократно запрограммированный робот может выполнять свои функции автономно, без какого-либо дополнительного вмешательства человека.

Однако создание таких роботов сталкивается с практической проблемой: как запрограммировать такое сложное поведение молекулы?

«В обычной робототехнике сам робот несет знание о командах, но если речь идет об отдельных молекулах, то в них невозможно сохранить такое количество информации. Поэтому возникает идея – хранить информацию о командах вне самой молекулы», - говорит Нилс Волтер (Nils G. Walter), профессор химии и директор центра Single Molecule Analysis in Real-Time Center (SMART) при Университете Мичигана. «Но это можно сделать, заполнив информационными сигналами окружающую молекулу-робот среду»,- добавляет руководитель проекта Милан Н. Стоянович (Milan N. Stojanovic), преподаватель кафедры экспериментальных методов терапии Колумбийского университета.

«Нам удалось создать такую запрограммированную или «прописанную» окружающую среду, использовав ДНК-оригами», - объясняет Хао Ян (Hao Yan), профессор химии и биохимии в Государственном университете Аризоны и специалист в области ДНК-нанотехнологии. ДНК-оригами, изобретение старшего научного сотрудника Caltech Пола Ротемунда (Paul W. K. Rothemund), представляет собой структуру из ДНК, которая может быть запрограммирована на образование почти неограниченного числа форм и шаблонов (например, улыбающихся лиц, или карт Западного полушария, или даже электрических схем). Используя способность ДНК к узнаванию комплиментарных оснований при образовании пар нуклеотидов, ДНК-оригами создаются из длинной одноцепочечной нити ДНК и смеси различных коротких синтетических цепочек ДНК, которые связываются с основной длинной нитью, образуя нужную форму. В описанном в журнале Nature исследовании оригами представляло собой прямоугольник толщиной 2 нанометра с длиной и шириной около 100 нанометров.

Исследователи сконструировали вереницу молекулярных «хлебных крошек» на трассе ДНК-оригами, «привязывая» дополнительные одноцепочечные молекулы ДНК, или олигонуклеотиды, с разных сторон от основного элемента. Такие олигонуклеотиды и представляют собой сигналы, которые говорят молекулярным роботам, что им нужно делать – начать движение, продолжить его, повернуть налево или направо или, например, остановиться – что сродни командам, отдаваемым традиционным роботам.

Молекулярный робот, выбранный для использования учеными– названный «пауком» - был изобретен Стояновичем несколько лет назад. В то время он был способен к длительным, но не направленным, а случайным перемещениям по двумерным поверхностям, «питаясь» по пути «хлебными крошками».

Конструируя молекулярный робот диаметров в 4 нм, исследователи взяли за основу обычный белок стрептавидин, который имеет четыре симметрично расположенных сайта для химического связывания с биотином. Каждая нога робота представляет собой цепочку ДНК, помеченную биотином, и «таким образом мы можем связать все четыре ноги с телом нашего робота», объясняет Волтер. «Это четырехногий паук»,- шутит Стоянович. Три ноги сделаны из ферментативной ДНК, то есть ДНК, которая связывается с определенной последовательностью другой ДНК и вырезает ее. Паук также оснащен «стартовой цепочкой» - четвертой ногой – которая привязывает его к стартовому сайту (специфическому олигонуклеотиду на треке ДНК-оригами). После того как робот запускается с места своего старта триггерной цепочкой ДНК, он передвигается по треку, связывая и затем вырезая участки ДНК, находящиеся за пределами основной цепочки», – объясняет Стоянович.

«Как только такой участок ДНК подвергается воздействию фермента, он разлагается, и нога начинает поиск следующего субстрата»,- добавляет Ян. Таким образом паук направляется по пути, намеченному учеными. В конечном итоге, объясняет Ян, «робот остановится, когда встретит на своем пути участок ДНК, с которым он может связаться, но который не может вырезать» - своего рода липучку для мух.

Хотя подобные «ДНК-путешественники» уже были разработаны ранее, они никогда не «отваживались» сделать более трех шагов. «Наш, - говорит Ян, - может пройти около 100 нанометров. Это примерно 50 шагов». 100 нанометров нанопаук проходит за период от 30 минут до целого часа.

«Само по себе это не было неожиданностью, - добавляет Винфри, - так как оригинальная работа Милана предполагает, что пауки могут делать сотни, если не тысячи, поступательных шагов. Удивительно же здесь то, что мы не только можем непосредственно подтвердить многоступенчатое движение пауков, но и направляем их по определенному пути, и все это они делают сами – автономно».

Действительно, с помощью атомно-силовой микроскопии и флуоресцентной микроскопии отдельных молекул (single-molecule fluorescence microscopy) ученые смогли непосредственно наблюдать ползущих по оригами пауков, показав, что они могут направлять своих молекулярных роботов по четырем разным путям.

«Мониторинг этого процесса на уровне отдельной молекулы является весьма сложной задачей», - говорит Волтер. «Вот почему наша работа была междисциплинарной, и нам были нужны специалисты из разных институтов. У нас есть ученые, создавшие саму концепцию, и разработавшие характеристики базисного паука. У нас есть возможность собрать ДНК-трек и анализировать систему с помощью визуализации отдельной молекулы. Это сложная техническая задача».

Научная задача на будущее – «найти, как заставить паука двигаться быстрее и как сделать весь процесс более программируемым, так чтобы паук мог выполнять больше команд и принимать больше решений, демонстрируя логичное поведение», говорит Ян.

«В созданной сейчас системе, - объясняет Стоянович, - взаимодействия ограничены роботом и окружающей его средой. Нашим следующим шагом будет добавление к системе второго робота с тем, чтобы они могли осуществлять коммуникацию друг с другом как непосредственно, так и через окружающую среду».

«Чтобы достичь цели, пауки будут работать вместе», - добавляет Винфри. «Чтобы решить эту задачу, надо научиться программировать поведение высокого уровня на основе взаимодействий более низкого уровня».

Такое сотрудничество в конечном итоге может стать основой для создания молекулярных реконфигурируемых роботов – сложных машин, состоящих из многих простых единиц, способных реорганизовать себя в любую форму – для выполнения различных задач, или восстановиться в случае поломки. Например, таких роботов можно будет использовать в медицине. Идея состоит в том, что они смогут создавать структуры или ремонтировать поврежденные ткани.

«Представьте, что паук несет лекарство, связывается с двумерной поверхностью, такой как клеточная мембрана, находит рецепторы и, в зависимости от местных условий окружающей среды, активирует этот лекарственный препарат», - добавляет Ян.

«Такое использование роботов, очень интригующее, станет возможным через десятилетия, а возможно и еще позже. Это может случиться и через 100 лет», - говорит Стоянович. «Сейчас мы так далеки от этого».

«Но, так же как сегодня ученые собираются для решения какой-либо сложной проблемы, молекулярные нанороботы будут делать это в будущем», - считает Волтер.

Аннотация к статье Kyle Lund, Anthony J. Manzo, Nadine Dabby, Nicole Michelotti, Alexander Johnson-Buck, Jeanette Nangreave, Steven Taylor, Renjun Pei, Milan N. Stojanovic, Nils G. Walter, Erik Winfree, Hao Yan. Molecular robots guided by prescriptive landscapes.

Оригинал статьи

Spiders at the Nanoscale: Molecules that Behave Like Robots

В лабораториях ученых

Фермент ЦОГ-2 регулирует выработку бурого жира

Белая жировая ткань образует типичные кривые в пресловутых проблемных областях для создания запасов энергии. Совершенно противоположное происходит в бурой жировой ткани: здесь энергия превращается в тепло. К разочарованию многих людей, взрослый человек обладает очень небольшими количествами этого энергетического вещества. В противоположность этому, дети и животные в состоянии спячки содержат в своих организмах большое количество бурого жира, осуществляющего тепловую регуляцию.

Ученые знают, что внешние воздействия могут стимулировать выработку бурой жировой ткани у животных. Если грызунов содержать при низких температурах, среди белой жировой ткани образуются кластеры клеток бурой жировой ткани. Исследовательская группа из DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum), руководимая доктором Стефаном Херцигом (Stephan Herzig), совместно с их коллегами из Мюнхена, Марбурга, Франкфурта и Лозанны, изучила молекулярные причины этого явления. Они обнаружили, что в белой жировой ткани мышей после воздействия низкой температурой увеличивается выработка фермента воспаления циклооксигеназы-2 (ЦОГ-2) (COX-2). Фермент ЦОГ-2 хорошо известен ученым: он регулирует ключевую стадию биосинтеза простагландинов – вызывающих воспаление гормонов, ответственных также и за активацию боли.

«Наши последние результаты доказывают, что ЦОГ-2 и простагландины жизненно необходимы для образования новой бурой жировой ткани и, таким образом, для регуляции массы тела», - говорит Стефан Херциг, подводя итог полученным им данным. Параллельно с увеличением выработки ЦОГ-2 в белой жировой ткани поднимается и уровень белка, который биохимически трансформирует энергию в тепло и поэтому рассматривается как самый важный биомаркер клеток бурого жира. Когда исследователи «отключили» ЦОГ-2 в белой жировой ткани, типичное появление клеток бурого жира больше не стимулировалось понижением температуры.

Даже без воздействия низкими температурами ученые смогли простимулировать образование кластеров клеток бурого жира в белой жировой ткани, усилив выработку ЦОГ-2 у мышей с помощью молекулярно-биологического трюка. Масса тела таких животных была на 20% ниже, чем у нормальных. Даже на высококалорийной диете они не прибавляли в весе.

Предыдущие исследования ученых из Финляндии показывают, что у людей активность бурой жировой ткани, то есть выработка тепла, тоже может быть усилена регулярным пребыванием на холоде. Стефан Херциг планирует исследовать, играет ли и здесь ключевую биохимическую роль фермент ЦОГ-2. Так как образование клеток бурого жира можно простимулировать и в клеточной культуре, Херциг видит возможность практического использования полученных им результатов. Он собирается взять белую жировую ткань от очень тучных людей, простимулировать в клеточной культуре образование в ней клеток бурого жира, использовав простагландины, а затем пересадить ее обратно пациенту. Таким образом, станет возможным помочь людям, усилив их энергетический метаболизм, и тем самым облегчить потерю лишнего веса. Ученые установили, что небольшое количество, около 50 г, бурой жировой ткани, будет достаточно для усиления энергетического метаболизма человека на 20%. Это равноценно потере массы тела на 20 кг в течение одного года.

Клинические испытания на больных раком пациентах уже косвенно выявили, что ЦОГ-2 оказывает влияние на массу тела. Так, масса тела больных, страдающих тяжелыми онкологическими заболеваниями, стабилизируется благодаря препаратам-ингибиторам ЦОГ-2. Но целый ряд обычных обезболивающих препаратов также являются ингибиторами ЦОГ-2. Значит ли это, что принимающие их люди должны воспринимать увеличение массы тела как побочный эффект? У Херцига есть хорошие новости: «На настоящий момент у нас нет свидетельств того, что нужно бояться прибавки в весе из-за приема таких препаратов».

Аннотация к статье Alexandros Vegiopoulos, et al.: Cyclooxygenase-2 Controls Energy Homeostasis in Mice by de Novo Recruitment of Brown Adipocytes

Оригинал статьи

Slimming Aid from the Cell Laboratory? Inflammation enzyme regulates the production of brown fat tissue

Обнаружен новый белок, определяющий продолжительность жизни

Ученые кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson University) открыли, что уровень определенного белка в крошечном круглом черве C. elegans определяет продолжительность его жизни. Черви, родившиеся без этого белка, называемого аррестином, живут на треть дольше, чем нормальные, а черви, уровень аррестина у которых в три раза выше, живут на треть меньше.

Исследователи также показали, что, регулируя продолжительность жизни, аррестин взаимодействует с несколькими другими внутриклеточными белками. Версией одного из таких белков в человеческом организме является белок PTEN, известный супрессор опухолевого роста. Статья об исследовании, которая будет опубликована в он-лайн издании Journal of Biological Chemistry, редакционной коллегией журнала была названа «статьей недели».

Так как большинство белков червей имеют аналоги в организме человека, эти открытия могут иметь отношение к биологии человека и к пониманию развития рака, считает Джеффри Л. Беновик (Jeffrey L. Benovic), доктор философии, профессор и руководитель кафедры биохимии и молекулярной биологии.

«Связи, которые мы обнаружили у червей, предполагают, что подобный вид взаимодействий существует и у млекопитающих, хотя, безусловно, биология человека намного сложнее. Чтобы разобраться со всеми этими особенностями, нам предстоит много потрудиться, но это и является нашей целью», - говорит доктор Беновик.

Ученые используют круглого червя C. elegans в качестве модельного организма потому, что он представляет собой простую систему для изучения функций генов и белков, имеющих отношение и к биологии человека. Например, червь имеет один ген, кодирующий аррестин, в то время как в человеческом организме таких генов четыре. Черви имеют только 302 нейрона, а мозг человека, для сравнения – около 100 миллиардов нейронов. Кроме того, их короткая жизнь – от двух до трех недель – позволяет проводить наблюдения за влиянием на продолжительность жизни различных факторов.

Доктор Беновик и первый автор исследования доктор философии Айми Палмитесса (Aimee Palmitessa) изучали сигнальные пути, активируемые рецепторами G-белка. Эти рецепторы связываются со всеми видами гормонов, нейромедиаторами и т.д. и реагируют на сенсорные раздражители (такие как свет, запахи, вкусы), что, в свою очередь, активирует каскад сигналов внутри клетки. Они регулируют многие физиологические процессы и являются мишенями для примерно половины существующих в настоящее время на рынке лекарственных препаратов.

«Если говорить о рецепторах, то на самом деле у червей они более сложны», - говорит доктор Беновик. «У человека около 800 различных видов рецепторов G-белка, в то время как у червя – около 1800. Отвечая на сенсорные раздражители, наряду с различными нейромедиаторами и гормонами, червь полагается на эти рецепторы».

Первоначально считалось, что аррестины «отключают» активацию рецепторов G-белка внутри клеток. «Само их название происходит от того факта, что они «выключают» активность рецепторов, так что червь предлагает хороший способ изучения, как его единственный аррестиновый белок взаимодействует с белковыми рецепторами», - говорит доктор Беновик. Два из четырех аррестинов человека отвечают за регуляцию рецепторов, отвечающих на зрительные стимулы, в то время как оставшиеся два регулируют большинство других рецепторов.

В своем исследовании доктор Палмитесса удалила единственный ген аррестина у червей, чтобы изучить, что произойдет, и к своему удивлению обнаружила, что такие черви жили значительно дольше. Она также пришла к выводу, что гиперэкспрессия аррестина у червей укорачивает их жизнь. «Немного меньше аррестина – это хорошо, по крайней мере, для червей», - считает доктор Беновик.

Это не первое открытие, сделанное в процессе наблюдения за продолжительностью жизни червей. Ученые уже обнаружили, что на нее может оказывать влияние активность рецептора инсулиноподобного фактора роста -1 (IGF-1) - открытие, которое уже было воспроизведено на плодовых мушках, мышах и человеке. Как и в случае с аррестином, несколько меньшая активность рецепторов IGF-1 идет во благо организму, объясняет доктор Беновик. Дальнейшее изучение показало, что ограничение потребления калорий также снижает активность рецепторов IGF-1, и, наоборот, гиперэкспрессия рецепторов IGF-1 обнаруживается в клетках некоторых форм рака человека.

В этом исследовании Беновик и Палмитесса копнули несколько глубже и обнаружили, что у червей аррестин взаимодействует с двумя другими белками, играющими жизненно важную роль в его способности регулировать продолжительность жизни. Одним из таких белков является супрессор опухолевого роста PTEN. Мутации PTEN вовлечены в развитие целого ряда различных форм рака.

Доктор Беновик считает, что связь между аррестином и PTEN у человека не ясна. «Мы не знаем, регулирует ли аррестин функции PTEN и происходит ли что-либо с уровнями аррестина в процессе развития рака», - объясняет он. «Повышение уровня аррестина «выключает» PTEN, провоцируя развитие рака, или уровни аррестина снижаются, позволяя PTEN проявлять большую активность?

«Если события развиваются по первому сценарию – увеличивающиеся количества аррестина «выключают» активность опухолевого супрессора PTEN – тогда возможно избирательно подавить этот процесс», - говорит он. «У нас впереди интересная работа».

Аннотация к статье A. Palmitessa, J. L Benovic. Arrestin and the Multi-PDZ domain containing protein MPZ-1 interact with PTEN and regulate C. elegans longevity

Оригинал статьи

Jefferson Scientists Identify a New Protein Involved in Longevity

Да будет свет: ученые разработали новую технологию регуляции белков

Чтение генов и соответствующий этому процесс выработки клеточных белковых молекул важны для правильного функционирования каждой клетки. Этот процесс называется экспрессией генов и регулируется специальными белковыми молекулами, так называемыми факторами транскрипции. Изменения в этих молекулах в большинстве случаев ведут к патологии и болезням, таким как рак.

Группе исследователей, руководимой профессором Катей Арндт (Katja Arndt) из Института биологии III (Institute of Biology III) Университета Фрайбурга (University of Freiburg) удалось создать маленький белковый фрагмент, который может заблокировать неправильную экспрессию генов. В сотрудничестве с группой, возглавляемой Эндрю Вулли (Andrew Woolley), профессором из Университета Торонто (University of Toronto), ученые разработали механизм, который позволяет таким ингибиторам включаться и выключаться подобно электрическому выключателю.

Статья об открытии опубликована в журнале Angewandte Chemie.

Работа ученых, описанная в этой статье, сочетает две независимых разработки: ингибиторы, созданные Катей Арндт, которые регулируют онкогены (гены рака), и химические молекулы, разработанные исследовательской группой Эндрю Вулли, которые могут существовать в двух структурных состояниях в зависимости от длины их волны. Химические линкеры могут использоваться в сочетании с ингибиторами и функционировать, как выключатель света: в освещенном состоянии ингибитор находится в положении «on» и, следовательно, активен, а в темноте – в положении «off» и неактивен. Исследователи смогли контролировать активность транскрипционного фактора АР-1 (белок-активатор 1) онкогена, используя этот переключаемый ингибитор. Они обнаружили, что даже основное условие контроля экспрессии гена, а именно, процесс связывания с ДНК, может регулироваться с помощью света. С помощью контроля транскрипционного фактора АР-1 они также добились «переключения» экспрессии соответствующих генов. Включая свет, ученые активировали ингибитор и блокировали экспрессию, а выключение света приводило к инактивации ингибирования.

Новая технология имеет много потенциальных сфер применения. Прежде всего, молекулярные выключатели такого рода являются интересными компонентами для «коммутатора» в синтетической биологии, основного предмета исследований Центра изучения биологических сигнальных систем (Centre for Biological Signalling Studies -BIOSS), так как они облегчают регулирование синтетических сигнальных путей извне. Кроме того, для вновь разработанных световых выключателей существует много потенциально интересных сфер применения в системной биологии. Например, они играют роль в исследовании временно контролируемых биологических процессов, таких как появление и осознание тревоги. В медицине световые выключатели могут использоваться как ведущие структуры для разработки новых терапевтических подходов.

Свет переключает активность транскрипционного фактора (зелено-голубой) в живых клетках с помощью ингибитора (красно-желтый), модифицированного с помощью специального светочувствительного химического адаптера.

Аннотация к статье Fuzhong Zhang, Katharina A. Timm, Katja M. Arndt, G. Andrew Woolley. Photocontrol of Coiled-Coil Proteins in Living Cells

Оригинал статьи

Let There Be Light: Freiburg Researchers Discover New Technology for Controlling Proteins

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии». Часть моих переводов принадлежат NANO NEWS NET и при их перепечатке просьба ссылаться на этот ресурс.