ВЫПУСК 106

Новый метод диагностики и терапии рака с помощью наночастиц золота

Ученые Медицинской школы Университета Миссури (Missouri School of Medicine) сообщают о новом потенциальном методе ранней диагностики и лечения рака с помощью созданных в Университете Миссури (University of Missouri) наночастиц в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences. В ней описывается, как инженерные наночастицы золота, связанные со специфическим рецептором, могут стать адресным средством лечения рака простаты, молочной железы и легких.

«Рецептор гастрин-высвобождающего пептида GRP (Gastrin Releasing Peptide) служит сигнальным средством для наночастиц золота, позволяющим осуществить их адресную доставку к опухоли при инъекционном введении в организм - говорит доктор философии Каттеш Катти (Kattesh Katti), написавший статью вместе с Рагураманом Каннаном (Raghuraman Kannan). Следовательно, радиотерапевтические свойства таких наночастиц представляют собой ценное средство визуализации и терапевтический инструмент, который может быть использован для ранней диагностики и терапии различных форм рака».

Так как опосредованные GRP-рецептором визуализация и лучевая терапия специфически направлены только на раковые клетки, лечение станет более эффективным, а побочные эффекты значительно меньше. GRP-рецепторы в изобилии присутствуют в клетках рака простаты, молочной железы и легких, а эффективность созданных Катти и Каннаном наночастиц золота доказана в ходе многочисленных экспериментов.

Ученые использовали in vivo наночастицы золота, связанные с бомбезином (BBN) – пептидом, проявляющим высокое сродство к рецептору гастрин-релизинг пептида (GRP). Межклеточные взаимодействия и сродство комплексов AuNP-BBN к GRP-рецепторам клеток рака простаты человека было исследовано в деталях. В экспериментах in vivo использование AuNP–BBN и его радиоактивного производного ¹⁹⁸AuNP-BBN представило безусловное доказательство того, что комплексы AuNP-BBN являются специфичными для GRP-рецепторов, показывая высокоселективное накопление в богатых GRP-рецепторами клетках поджелудочной железы здоровых мышей, а также в опухолях простаты мышей с тяжелым комбинированным иммунодефицитом. Таким образом, способ доставки был признан эффективным, так как комплексы AuNP-BBN показали увеличение поглощения опухолевыми мишенями. Избирательное поглощение этого нового поколения специфичных GRP-рецепторам AuNP-BBN-пептидных аналогов продемонстрировало их реальный клинический потенциал в области молекулярной визуализации методом рентгеновской компьютерной томографии, так как числа контрастности опухолей простаты были в несколько раз выше, чем в контрольной группе (150 единиц по шкале Хаунсфилда).

«Разработка специфических наночастиц золота, ориентированных на GRP-рецепторы, и имеющиеся доказательства специфичности к этому онкорецептору в живых организмах, приведенные доктором Катти и доктором Каннаном – значительный и важный шаг вперед к использованию инженерных наночастиц золота в молекулярной визуализации и терапии различных форм рака», - считает директор Программы молекулярной визуализации (Molecular Imaging Program) и Канарского центра ранней диагностики рака (Canary Center for Cancer Early Detection)_ Стэнфордского университета (Stanford University) профессор Санджив Сэм Гамбхир (Sanjiv Sam Gambhir).

Катти, Каннан и другие сотрудники отделения радиологии Медицинской школы Унивеситета Миссури занимаются разработкой специфических наночастиц золота для лечения рака более пяти лет.

«Эта разработка предоставляет множество реальных возможностей для клинического использования не только в области развития основанных на нанотехнологиях методов ранней диагностики, но и для лечения опухолей простаты, молочной железы и мелкоклеточной карциномы легких», - говорит Каннан.

Каннан и Катти создали более 85 инженерных наночастиц, предназначенных для молекулярной визуализации и терапии. Совместно с сотрудниками Исследовательского реактора Университета Миссури (MU Research Reactor - MURR), самого мощного университетского реактора в мире, они разработали онкоспецифичные терапевтические радиоактивные наночастицы золота. MURR – одно из немногих мест в мире, где можно производить наночастицы золота для адресного лечения рака.

В 2005 году Катти получил грант на исследование рака предстательной железы, что выдвинуло Университет Миссури в число всего лишь 12 университетов, участвующих в национальной партнерской программе по нанотехнологиям, осуществляемой Национальным институтом рака (National Cancer Institute). Предоставленная финансовая поддержка была адресована сотрудникам факультетов радиологии, ветеринарной медицины, химии, физики и исследовательского реактора университета для развития сотрудничества с целью становления Университета Миссури как лидера в продвижении наномедицины для ранней диагностики и лечения рака.

Аннотация к статье N. Chanda, V. Kattumuri, R. Shukla, A. Zambre, K. Katti, A. Upendran, R. R. Kulkarni, P. Kan, G. M. Fent, S. W. Casteel, C. J. Smith, E. Boote, J. D. Robertson, C. Cutler, J. R. Lever, K. V. Katti, R. Kannan. Bombesin functionalized gold nanoparticles show in vitro and in vivo cancer receptor specificity.

Оригинал статьи

MU Researchers Show Potential for New Cancer Detection and Therapy Method

Транзистор из углеродной нанотрубки обеспечит взаимодействие человека и машины

Ученые сконструировали гибридный бионаноэлектронный транзистор, который питается от молекулы АТФ, или аденозинтрифосфата, источника энергии живых клеток. Исследователи, Александр Ной (Aleksandr Noy) и его коллеги из Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Lab), утверждают, что новый транзистор представляет собой первую интегральную биоэлектронную систему и может обеспечить взаимодействие электроники и живого организма.

«Я надеюсь, что такого рода технологии будут использованы для создания биоэлектронных интерфейсов, способных усовершенствовать коммуникацию между живыми организмами и машинами», - говорит Ной.

Питающийся энергией АТФ транзистор состоит из углеродной нанотрубки, натянутой между двумя электродами. Концы нанотрубки покрыты изоляционным полимерным слоем, а вся система целиков – липидным бислоем, подобным бислою клеточных мембран.

Когда ученые подают напряжение на электроды и наливают на устройство раствор, содержащий АТФ и ионы калия и натрия, возникает текущий через электроды ток. Чем больше в растворе АТФ, тем сильнее ток.

Как объясняют ученые, устройство работает благодаря белку в липидном бислое, который в присутствии молекул АТФ функционирует как ионный насос.

«Белок ионного насоса является важнейшим элементом нашего устройства», - объясняет Ной. «В ходе каждого цикла он гидролизует одну молекулу АТФ и перекачивает 3 иона натрия в одном направлении и 2 иона калия в противоположном».

В результате происходит перенос через липидный бислой к нанотрубке одного заряда. Ионы создают электрическое поле вокруг не покрытой изоляционным слоем части нанотрубки, увеличивая ее проводимость пропорционально силе поля. Когда запас молекул АТФ иссекает, ионы начинают просачиваться через мембрану в обратном направлении, и электрический ток ослабевает.

Другими словами, система работает посредством преобразования механической энергии движения ионов, измеряемой в наномасштабе, в электричество. Таким образом, транзистор может быть использован для создания электронных устройств, которые получают энергию и регулируются биологическими сигналами. Например, с его помощью можно создать электронику, постоянно находящуюся в организме и не требующую батареек или внешних источников питания, а также протезы, которые могут быть подключены непосредственно к нервной системе. Такие транзисторы можно использовать и при разработке сенсоров для мониторинга внутриклеточного метаболизма.

Аннотация к статье (со схематическим изображением транзистора) Shih-Chieh J. Huang, et al. Carbon Nanotube Transistor Controlled by a Biological Ion Pump Gate

Объяснения к изображению: гибридный бионаноэлектронный транзистор, имеющий локальный белковый канал, получающий энергию от АТФ. АТФ-зависимая активность мембранного ионного насоса, Na⁺/K⁺-АТФаза, встроенного в покрывающую углеродную нанотрубку липидную мембрану, модулирует производимый ток до 40%. Такой транзистор представляет собой универсальную бионаноэлектронную платформу, в которую могут быть встроены разные мембранные белки.

Оригинал статьи:

Nanotube transistor will help us bond with machines

Источник: NANO NEWS NET

ДНК-графеновые биосенсоры: высокоспецифичные, надежные, долговечные

Чтобы создать точный и надежный биосенсор, можно использовать сочетание графена и ДНК, сообщается в публикации в журнале о нанотехнологиях Small. Крошечный биосенсор в конечном итоге поможет врачам и ученым лучше понимать и диагностировать болезни.

Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) Министерства энергетики США (Department of Energy) и Принстонского университета (Princeton University) показали, что одноцепочечная ДНК прочно связывается с графеном, наноматериалом из слоя углерода толщиной в один атом. Они также обнаружили, что графен защищает ДНК от разрушения ферментами, подобными тем, которые находятся в биологических жидкостях организма – особенность, которая делает ДНК-графеновые биосенсоры очень долговечными.

«Графен представляет для ученых огромный интерес, так как имеет несколько уникальных особенностей, включая простое и относительно недорогое получение», - говорит химик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и один из авторов статьи Юхе Лин (Yuehe Lin). Но систематических исследований с использованием различных спектроскопических методов того, как графен взаимодействует с ДНК, до нас было проведено очень немного. Мы пришли к выводу, что они составляют удачную пару».

Ученые изучают потенциал наноматериалов – мельчайших частиц размером в одну миллиардную часть метра – несколько десятилетий. Все большее количество исследователей фокусируют свое внимание на графене, так как он проявляет свойства сверхпроводимости, исключительно прочен и имеет большую площадь поверхности. По сравнению с другими наноматериалами, такими как углеродные нанотрубки, его легче получать и использовать.

Нанотехнологии могут помочь в создании новых лекарственных препаратов, средств их доставки и в разработке диагностических биосенсоров.

ДНК-графеновый биосенсор определяет болезни, «отлавливая» связанные с ними молекулы. Как червяка на крючок, ученые помещают на кусочек графена ДНК гена, вносящего вклад в развитие заболевания. Затем они опускают «крючок» биосенсора в исследуемую кровь, слюну или другую жидкость организма. Если ДНК вызвавшего болезнь гена находится в жидкости и «хватает приманку», биосенсор выдает сигнал, обнаруживаемый учеными.

Двухцепочечная природа ДНК наших генов делает такую «рыбалку» вполне возможной. Нормальная двухцепочечная ДНК выглядит как винтовая лестница. Но одноцепочечная ДНК напоминает гребень: она состоит из последовательности букв ДНК, или азотистых оснований, которые торчат из «хребта» макромолекулы и ищут комплиментарные им основания для образования пары. Когда комплиментарные последовательности одноцепочечной ДНК встречаются, пары оснований образуют ступени винтовой лестницы.

Чтобы сконструировать ДНК-графеновый биосенсор, ученые должны понимать, как ДНК и графен взаимодействуют друг с другом. Чтобы проследить за молекулами ДНК, свободно плавающими в пробирке, Лин и его коллеги, включая ведущего автора Дживэнь Тана (Zhiwen Tang), прикрепили к ним светящиеся флуоресцентные молекулы. Затем они смешали флуоресцирующие ДНК с графеном. Вступив в контакт с графеном, одноцепочечные ДНК тускнели. Но яркость двухцепочечных ДНК при тех же условиях уменьшалась очень незначительно. Дальнейший анализ с помощью нескольких спектроскопических методов показал, что связь графена с одноцепочечной ДНК намного прочнее, чем с ее двухцепочечной «кузиной». Ученые даже высказали предположение, что графен меняет структуру одноцепочечной ДНК.

Чтобы выяснить, можно ли разорвать связь одноцепочечной ДНК с графеном, сделав ее двухцепочечной, исследователи добавили простую одноцепочечную ДНК, имеющую комплиментарную последовательность нуклеотидов. Помеченные флуоресцентными молекулами одноцепочечные ДНК засветилась ярче. Это означало, что первоначально содержащиеся в жидкости одноцепочечные молекулы соединились с добавленными комплиментарными цепочками и образовали двухцепочечные ДНК, отделившиеся от поверхности графена.

Затем ученые проверили, как одноцепочечная ДНК на поверхности графена взаимодействует с «партнерами». Они поместили ДНК-графеновые биосенсоры в две разные пробирки. В одну они добавили комплиментарную цепочку, основания которой идеально подходили в цепочке ДНК, уже связанной с графеном. В другую – комплиментарную цепочку, в которой одно основание не соответствовало оригинальной цепочке ДНК на поверхности графена.

После введения комплиментарной ДНК обе пробирки стали светиться сильнее. Но свет из пробирки с идеально соответствующими друг другу цепочками был в два раза ярче, чем из пробирки со слегка несовпадающей ДНК. Способность распознавать мишени-цепочки ДНК в пределах несоответствия одного нуклеотида – называемая высокой специфичностью – должна сделать ДНК-графеновые биосенсоры более точными, чем другие, обычные линейные биосенсоры, считают ученые.

Исследователи также пришли к выводу, что графен помогает сделать ДНК более устойчивой. Они поместили в пробирки два вида одноцепочечных ДНК – один был связан с графеном, а другой свободно плавал в жидкости. Затем они добавили ДНКазу – разрушающий ДНК фермент – в обе пробирки и обнаружили, что свободные цепочки ДНК разрушены, в то время как ДНК-графеновые наноструктуры остаются интактными в течение как минимум 60 минут. Ученые предполагают, что такая защита делает ДНК-графеновые платформы очень подходящими для визуализации и доставки генов в организм пациента.

«Простая конструкция и огромная долговечность ДНК-графеновых биосенсоров делают возможной диагностику с их помощью опасных для жизни заболеваний», - говорит Лин. «Сейчас мы с коллегами собираемся изучить, может ли способность графена защищать ДНК от ферментов помочь ДНК-графеновым структурам доставлять лекарственные препараты в больные клетки или даже оказаться полезными в генной терапии».

Иллюстрация того, как помеченные флуоресцентными молекулами ДНК взаимодействуют с функционализированным графеном. Как одноцепочечные (А), так и двухцепочечные ДНК (В) адсорбируются на поверхности графена, но взаимодействие с одноцепочечными ДНК сильнее, что приводит к более выраженному ослаблению флуоресценции. С) Комплиментарная ДНК приближается к одноцепочечной ДНК и заставляет адсорбированную одноцепочечную ДНК отделиться от поверхности графена. D) Адсорбированная на графене ДНК защищена от разрушения ферментами.

Аннотация к статье Zhiwen Tang, Hong Wu, John R. Cort, Garry W. Buchko, Youyu Zhang, Yuyan Shao, Ilhan A. Aksay, Jun Liu, Yuehe Lin. "The Constraint of DNA on Functionalized Graphene Improves Its Biostability and Specificity

Оригинал статьи

Graphene-DNA biosensor selective, simple to create

Источник: NANO NEWS NET

В лабораториях ученых

«Умный» перевязочный материал определяет и уничтожает патогенные бактерии

Хотя бактериальные инфекции как клиническая проблема считаются побежденными широким использованием антибиотиков с 50-х годов прошлого века, их повторное появление в последние десятилетия убедило ученых в необходимости разработки новых методов уничтожения и предотвращения роста патогенных бактерий. В новом исследовании группа химиков из Университета Бата (University of Bath), Великобритания, предприняла ряд шагов к разработке «умной» перевязочной системы, которая высвобождает антибактериальный агент только в присутствии патогенных бактерий, позволяя нормальной микрофлоре организма продолжать обеспечение естественной защиты от инфекции.

Прототип перевязочного материала сделан из нетканого полипропиленового материала. К материалу прикреплены пузырьки, содержащие антибактериальный агент. Одним из вирулентных факторов многих патогенных бактерий (но не непатогенных) является то, что они выделяют токсины или ферменты, повреждающие мембраны везикул, лизируя их. Когда патогенная бактерия лизирует мембраны пузырьков, прикрепленных к умной ткани, пузырьки разрываются, выделяя антибактериальный агент и разрушая бактерию. Таким образом, систему пузырьков можно назвать «Троянским конем», «подстрекающим» бактерии действовать в качестве агентов для их собственного разрушения.

Для своих экспериментов ученые взяли образцы жизнеспособных популяций бактерий двух видов – золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) и анализировали их состояние каждые 20 минут в течение 4 часов после воздействия на них умной тканью. Они наблюдали значительное уменьшение концентрации обоих видов бактерий, в конечном итоге почти до полного их подавления. Ученые также обнаружили, что концентрации P. aeruginosa уменьшались быстрее, чем S. aureus, из-за большей чувствительности синегнойной палочки к инкапсулированному антибактериальному веществу.

Кроме того, ученые отметили, что в неинфицированных образцах, содержащих только непатогенную кишечную палочку (Escherichia coli), концентрация бактерий уменьшилась незначительно, что, скорее всего, объясняется меньшей проницаемостью пузырьков. Так как антибактериальный агент выделяется только в присутствии патогенных бактерий, стратегия минимизирует давление на отбор резистентных к антибиотикам бактерий, продлевая эффективность антибактериальных препаратов.

«Потенциальное значение этой работы заключается в том, что мы получили доказательство самого принципа действия «умной» системы, которая способна различать патогенные и непатогенные бактерии», - объясняет соавтор исследования Тоби Дженкинс (Toby Jenkins) из Университета Бата в интервью PhysOrg.com. Преимущество такого перевязочного материала в том, что он выделяет антибактериальный препарат только в том случае, если рана инфицирована опасными бактериями, и не отвечает на присутствие безвредных синантропных бактерий. Это снижает давление эволюционного отбора на все бактерии в плане выработки резистентности и должно замедлить появление новых устойчивых к антибиотикам видов, каких как метициллин-устойчивый золотистый стафилококк (MRSA).

Помимо контроля над бактериальным ростом и инфекцией исследователи рассчитывают «научить» умную ткань менять цвет на инфицированных ранах. Они объясняют, что в материал можно встроить простой колориметрический или флуоресцентный «ответ», что даст пациентам и врачам возможность быстро выявлять раневую инфекцию.

«С точки зрения клинической перспективы, особенно при лечении ожогов у детей, налицо огромное преимущество, заключающееся в возможности оставлять повязку на ожоговой ране так долго, как только возможно, что способствует заживлению, уменьшает травмирование и в конечном итоге экономит деньги», - говорит Дженкинс.

В целом исследователи показали, что одно из самым характерных свойств, делающих некоторые бактерии патогенными – способность повреждать клеточные мембраны – может быть использовано против них. Однако прежде чем умную ткань можно будет производить в промышленном масштабе, ученые еще должны найти решение нескольких проблем, включая стабильность пузырьков, тонкую настройку реакции и технологичность.

«Мы надеемся создать полностью рабочий прототип, готовый к производству, к 2014 году», - говорит Дженкинс. «От трех до четырех лет потребуется на проверку безопасности и соответствия техническим условиям, так что самая реалистичная дата выхода «умной» ткани на рынок – 2017 год».

Однако, как объясняет Дженкинс, независимо от того, насколько прогрессивна такая технология, она не позволит полностью исключить угрозу госпитальных бактериальных инфекций, на что надеялись в 50-х годах. Борьба будет продолжаться постоянно.

«Процесс эволюции посредством естественного отбора – это процесс, в результате которого появились мы, а бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам – слишком мощная сила (чтобы позволить антибактериальным препаратам ликвидировать бактериальные инфекции)», - говорит он. «Но мы стараемся стать умнее и лучше понять, как развивается этот процесс, и оказаться на шаг впереди Природы».

Аннотация к статье с иллюстрацией процесса лизиса везикул с антибактериальным агентом ферментами патогенных бактерий: Jin Zhou, Andrew L. Loftus, Geraldine Mulley, and A. Toby A. Jenkins. “A Thin Film Detection/Response System for Pathogenic Bacteria.”

Оригинал статьи

'Smart' wound dressings could identify and destroy infection-causing bacteria

Вглубь живой материи

Хромосомный «клей» преподносит сюрпризы

Белки, называемые когезинами, обеспечивают связывание вновь образовавшихся хромосом, правильное их разделение в процессе деления клетки и эффективное восстановление поврежденной ДНК. Ученые из Института Карнеги (Carnegie Institution) впервые обнаружили, что для выполнения различных функций когезины необходимы в разных концентрациях.

Открытие помогает объяснить, как некоторые нарушения развития, такие как синдромы Корнелии де Ланге и Норман-Робертса, возникают без влияния на деление клетки, необходимого для развития. Исследование стало возможным благодаря новому методу, разработанному учеными для изучения эукариотических клеток, который позволяет постепенно уменьшать концентрацию любого белка в живой клетке. Статья, опубликованная в печатном издании журнала Current Biology, открывает путь к лучшему пониманию нарушений развития и изучению других белков с множеством функций.

«Одним из самых больших сюрпризов явилось то, что для процесса деления клетки, что мы и рассматриваем как основную функцию когезина, необходимо только небольшое количество этого белкового «клея», связывающего реплицированные хромосомы», - говорит ведущий автор статьи Джилл Хайдингер-Паули (Jill Heidinger-Pauli) сотрудник кафедры эмбриологии Института Карнеги.

Жизненный цикл клетки состоит из четырех фаз: рост, синтез, рост и митоз. Во время фазы синтеза ДНК внутри клеточного ядра дуплицируется, и образуются две идентичные дочерние хроматиды, называемые сестринскими. Эти «близнецы» должны оставаться связанными до тех пор, пока клетка не будет готова к делению. Этот момент наступает в последней стадии клеточного цикла, фазе митоза, когда конденсируются хромосомы и образуются волокнистые структуры, называемые веретенами. Когезин надежно держит хроматиды склеенными до тех пор, пока веретена не растягивают их к противоположным полюсам клетки. Затем клетка делится, в результате чего образуются две генетически идентичные клетки. Когезин важен и для других процессов, протекающих вне клеточного деления. Он играет решающую роль в конденсации ДНК и репарации ее повреждений. Когезин способствует эффективному восстановлению ДНК, связывая сестринские хроматиды таким образом, что если ДНК одной из «сестер» повреждена, вторую «сестру» можно использовать в качестве шаблона для ремонта. Это очень важно для предотвращения потери генетической информации.

Чтобы проследить, сколько когезина нужно для этих различных процессов, исследователи использовали генетический трюк, позволяющий стоп-кодону иногда кодировать аминокислоту. Кодон представляет собой набор из трех оснований ДНК, который либо кодирует конкретную аминокислоту, либо останавливает трансляцию ДНК- последовательности. Если процесс трансляции преждевременно остановлен из-за включения стоп-кодона, полностью функциональный белок уже не может быть образован. Исследователи заранее включали один или более стоп-кодонов в последовательность ДНК, кодирующую белок когезин. Как правило, это приводит к гибели клетки, но ученые использовали мутацию, называемую SUP53, что привело к случайной выработке когезина нормальной длины. Этот метод привел к уменьшению выработки когезина, но не изменил ее срока и аминокислотной последовательности белка.

«Мы обнаружили, что при снижении уровня когезина на 30% от нормального уровня репарация ДНК, конденсация хромосом и стабильность ДНК- последовательностей поставлены под угрозу», - отмечает Хайдингер-Паули. Интересно, что сцепление хроматид и разделение хромосом не были затронуты даже при понижении уровня когезина до 13% от нормы. Мы также наблюдали, как уменьшение количества когезина изменяет характер его взаимодействия с хромосомами. Обычно когезин связывается с участками хромосомы по всей ее длине, но мы обнаружили, что, если в клетке мало когезина, он преимущественно связывается с их центром. Раньше мы не знали о существовании такой иерархии, и это поможет объяснить, почему некоторые функции когезина могут пострадать больше, чем другие».

Оригинал статьи

Chromosome “Glue” Surprises Scientists

Транспортировка внутриклеточных белков подчиняется простым правилам

Всему живому на Земле угрожает хаос. В этом смысле клетка подобна лодке, которая в любой момент может утонуть в море хаоса. Чтобы сохранять один и тот же уровень порядка и не утонуть, она должна постоянно получать энергию – образно говоря, накапливающуюся воду хаоса нужно постоянно откачивать.

Ученые из Института молекулярной физиологии Макса Планка (Max Planck Institute of Molecular Physiology) в Дортмунде открыли, как клетки обеспечивают правильное распределение белков в своей внутренней среде. Они обнаружили, что многие из белков, которые должны быть перемещены к клеточной мембране, снабжены своего рода якорем, представляющим собой молекулу жирной кислоты, предназначенным для встраивания белков в клеточные мембраны. Но так как мембрана – это то место, откуда белки получают доступ к клеточным органеллам, через некоторое время якорь из белков удаляется. Таким образом, клетка использует неспецифический подход, чтобы заделать эту брешь, за исключением тех случаев, когда транспортировка идет к мембране.

Таким образом, ученые открыли простой принцип, который клетки используют для регуляции сложной локализации белков и тем самым сохраняют высокий уровень порядка. Более того, эти открытия могут проложить путь к новым методам лечения рака: в дополнительном исследовании, используя новый ингибитор, ученые смогли успешно изменить пространственное распределение ракового белка Ras, тем самым нарушая его трансформационные сигналы.

В клетке присутствует огромное количество веществ, которые нужно транспортировать. Органелла, известная как аппарат Гольджи, служит «сортировочной станцией» для этого процесса. Белки и другие вещества подготавливаются к выполнению присущих им функций и транспортировке внутри аппарата Гольджи, окруженного своей собственной мембраной. Маленькие везикулы отделяются от этой мембраны и направляются к месту их конечного назначения. Многие белки, которые должны быть перенесены к клеточной мембране, сначала снабжаются молекулой жирной кислоты, или липида. Этот процесс, известный как пальмитация, обеспечивает мембранные белки своего рода адресным ярлычком и переносит их к клеточной мембране. Клетка использует эту направленную транспортировку от аппарата Гольджи к клеточной мембране как средство борьбы с постоянно существующей «утечкой» в другие мембраны. Это важно, так как помимо клеточной мембраны клетка наполнена мембранами органелл, связанных друг с другом посредством везикул. Следовательно, пальмитированные мембранные белки, изначально предназначенные только для клеточной мембраны, попадают и в другие места. Со временем такие белки будут случайным образом распределены по всей клетке.

Ученые использовали самые передовые методы микроскопии для наблюдения за специальными молекулярными датчиками в живых клетках и проанализировали локализацию и транспортировку пальмитированных белков в реальном времени. Они обнаружили, что пальмитирование преимущественно происходит в аппарате Гольджи. Пальмитированные белки достигают клеточной мембраны, находясь на поверхности отделившихся от аппарата Гольджи везикул. Чтобы предотвратить встраивание белков в другие мембраны, специальные ферменты удаляют липидные якоря из всех пальмитированных белков без разбора. Затем белки свободно плавают в клетке до тех пор, пока не оказываются заброшенными обратно в транспортную сеть аппарата Гольджи. Таким образом, клетка гарантирует, что дезориентированные белки быстро и постоянно снабжают транспортную сеть и переправляются к правильному месту назначению. «Это неравновесное состояние, которое может поддерживаться только постоянным потреблением энергии, и именно оно характеризует понятие жизнь – в отличие от сложных неживых систем, таких как кристаллы, которые приходят в состояние равновесия с минимальными затратами энергии», - объясняет Филипп Бастиенс (Philippe Bastiaens), заведующий кафедрой системной биологии клетки Института молекулярной физиологии Макса Планка. Таким образом, ученые открыли основополагающий принцип жизни.

Сложная задача - простое решение

Но откуда клетка знает, какие белки нужно отправить в клеточную мембрану пока они находятся в аппарате Гольджи? Ученые считают, что любой белок может получить липидный якорь, если он имеет на поверхности аминокислоту цистеин, к которой есть удобный доступ. Такой белок будет доставлен к клеточной мембране автоматически. Поэтому такая транспортировка не требует рецепторов, которые бы специфически связывались с белком в том месте клетки, куда он должен попасть.

Это великолепный пример того, как сложный процесс может контролироваться простыми физическими или химическими правилами. На первый взгляд может показаться, что определить белки, которые должны быть перенесены в определенное место, отличить те, которые были перенесены в ненадлежащее место, и предотвратить их отклонение от конечного пункта назначения – чрезвычайно сложная задача. Но клетка справляется с этим очень простым способом, без каких-либо дополнительных рецепторов или механизмов регуляции. Другие самоорганизующиеся системы – такие как колонии насекомых – также часто работают на относительно простых принципах. Иначе они не смогут выполнять то множество задач, с которыми должны справляться.

«Наши открытия - это веха. Они изменят принцип исследований, применяемый в клеточной биологии. Только когда мы как ученые понимаем принципы устройства жизни, мы действительно способны понять, что такое жизнь. Сосредоточение на множестве различных клеточных сигнальных путей на самом деле сильно помочь нам в этот не может», - говорит Бастиенс.

Новое вещество подавляет раковый белок

Ученые пошли на шаг дальше, заложив основы для потенциального использования своих открытий в терапии рака. Белок Ras – яркий представитель пальмитированных белков. Мутации и гене ras обнаруживаются в клетках многих форм рака. Однако Ras способен полноценно функционировать, только когда он встроен в клеточную мембрану и не попадает в другие мембраны. Поэтому ученые разработали ингибитор, который назвали пальмостатином B, для противодействия ферменту, ответственному за отделение липидного якоря. Если такой фермент «выключен», пальмитированный Ras остается встроенным в клеточную мембрану, откуда он попадает в мембраны других органелл. «Это совершенно новый подход – фактически он противоречит здравому смыслу. Поэтому он никогда не разрабатывался в фармацевтических исследованиях. Мы же сделали следующее: вместо подавления направленной транспортировки из аппарата Гольджи, способствовали его случайному распределению в клетке», - объясняет Герберт Вальдманн (Herbert Waldmann), заведующий кафедрой химической биологии в Институте Макса Планка в Дортмунде.

Использовав пальмостатин В, ученые впервые смогли подавить белок Ras без полного его отключения. Если Ras полностью инактивирован, умирает даже здоровая клетка. В противоположность этому случайное его распределение в клетке подавляет только вредное влияние мутировавшего варианта белка. Раковые клетки снова становятся здоровыми. Благодаря этому открытию Ras-зависимые опухоли когда-нибудь будут лечить методами, не приносящими вреда здоровым клеткам.

Изображение пространственного распределения белка Ras (флуоресцентный синий), встроенного в клеточную мембрану (по краям) и аппарат Гольджи (в центре). Фотомонтах показывает, как поддерживается баланс распределения белка Ras: белок с липидным якорем (красный) переносится мембранными пузырьками (голубые кружки) из аппарата Гольджи к клеточной мембране. Фермент APT1 (зеленый) удаляет якорь, полученный в процессе пальмитации, из тех молекул Ras, которые встроены в другие мембраны. Депальмитированный Ras (оранжевый) свободно плавает по клетке, а затем поглощается аппаратом Гольджи, после чего весь цикл повторяется. Таким образом, клетки используют простой принцип транспортировки Ras и других пальмитированных белков к месту их назначения: локализованный центр распределения (Гольджи), направленный транспорт к месту назначения, а также удаление целевых мишеней (депальмитация) и последующее возвращение в транспортный цикл. (Фото Филиппа Бастиенса)

Аннотации к статьям

Oliver Rocks, Marc Gerauer, Nachiket Vartak, Sebastian Koch, Zhi-Ping Huang, Markos Pechlivanis, Jürgen Kuhlmann, Lucas Brunsveld, Anchal Chandra, Bernhard Ellinger. The Palmitoylation Machinery Is a Spatially Organizing System for Peripheral Membrane Proteins

Frank J. Dekker, Oliver Rocks, Nachiket Vartak, Sascha Menninger, Christian Hedberg, Rengarajan Balamurugan, Stefan Wetzel, Steffen Renner, Marc Gerauer, Beate Schölermann, Marion Rusch, John W. Kramer, Daniel Rauh, Geoffrey J. Coates, Luc Brunsveld, Philippe Bastiaens, Herbert Waldmann. Small-molecule inhibition of APT1 affects Ras localization and signaling

Оригинал статьи

Transportation governed by simple rules

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.