ВЫПУСК 108

Нанотехнологии обещают новое поколение противовирусных препаратов

Будущие пандемии сезонного гриппа, H1N1 и других устойчивых к лекарственным препаратам вирусных заболеваний могут быть предотвращены мощным иммуностимулирующим грузом, эффективно доставляемым в клетки наностержнями из золота. Об этом сообщают ученые из Университета Буффало (University at Buffalo – UB) и Центров по контролю и профилактике заболеваний США (U.S. Centers for Disease Control and Prevention - CDC). Их работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Совместное исследование ученых из Университета Буффало и Центров по контролю и профилактике заболеваний имеет все шансы представить нам новое поколение антивирусных лекарственных препаратов, эффективно воздействующих на широкий круг инфекционных заболеваний, от H1N1 до птичьего гриппа и, возможно, лихорадки Эбола, которые становятся все более устойчивыми к применяемым для их лечения препаратам», - говорит Парас Прасад (Paras Prasad), исполнительный директор Института лазеров, фотоники и биофотоники (Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics - ILPB), почетный профессор кафедр химии, физики, электротехники и медицины Университета Буффало.

Совместная работа исследователей из UB и CDC стала возможной благодаря работе доктора медицины Кришнана Чакраварти (Krishnan Chakravarthy), первого автора статьи. Она составляет часть его докторской диссертации, посвященной иммунному ответу на гриппозную инфекцию и новым стратегиям доставки лекарственных препаратов.

В статье, опубликованной в PNAS, описывается одноцепочечная молекула РНК, вызывающая сильный иммунный ответ на вирус гриппа за счет стимулирования выработки клетками организма-хозяина интерферонов – белков, подавляющих репликацию вируса.

Но используемая учеными молекула РНК, как и вообще большинство молекул РНК, разрушается при доставке в клетку. В качестве эффективного средства доставки этого мощного иммуностимулятора и выступают полученные в UB наностержни из золота.

«Все сводится к тому, как доставить иммуностимулятор», - говорит соавтор статьи Сурьяпракеш Самбхара (Suryaprakesh Sambhara) из отдела гриппа CDC. “Ученые из UB разработали отличную систему доставки. Доктор Прасад и его команда хорошо известны благодаря их вкладу в разработку систем доставки лекарственных препаратов с помощью наночастиц».

Основным преимуществом в данном случае является биосовместимость золота.

«Наностержни из золота защищают молекулы РНК от разрушения во внутриклеточной среде, обеспечивая при этом более избирательную доставку молекул в определенные клетки», - говорит соавтор работы и научный руководитель Чакраварти Пол Найт III (Paul R. Knight III), доктор медицины, профессор анестезиологии, микробиологии и инфекционных болезней в Школе медицины и биомедицинских наук Университета Буффало.

«Эта работа показывает, что модуляция иммунного ответа организма будет иметь решающее значение при разработке антивирусных терапевтических средств следующего поколения», - объясняет Чакраварти. «Новизна этого подхода заключается в том, что большинство РНК-содержащих вирусов вызывают в организме один и тот же тип иммунного ответа, то есть того, на что нацелена наша терапия с помощью наночастиц. Усиливая иммунный ответ организма-хозяина, мы избегаем сложностей, связанных с развивающейся вирусной устойчивостью, вызываемой мутациями».

Болезни, на которые можно воздействовать с помощью нового подхода, включают в себя любые вирусные инфекции, восприимчивые к врожденному иммунному ответу, включаемому интерфероном 1.

Основываясь на результатах, полученных in vitro, ученые из UB и CDC начинают эксперименты на животных.

«Это пример чрезвычайно удачного сотрудничества, так как двум разным исследовательским группам из Университета Буффало и группе из CDC удалось достичь прогресса в продвижении к общей цели: лечению гриппа», - считает соавтор статьи, адъюнкт-профессор UB из ILPB Адела Боною (Adela Bonoiu).

Эпителиальные бронхиальные клетки человека, «инфицированные» разработанными учеными из UB и CDC нанокомплексами, равномерно распределенными вокруг клеточных ядер

Аннотация к статье: Krishnan V. Chakravarthy, Adela C. Bonoju et al. Gold nanorod delivery of an ssRNA immune activator inhibits pandemic H1N1 influenza viral replication

По материалам

To Attack H1N1, Other Flu Viruses, Gold Nanorods Deliver Potent Payload

Источник: NANO NEWS NET

Картирование молекулярной неоднородности опухолей с помощью квантовых точек

Одно из самых значительных открытий, сделанных в области изучения рака за последнее десятилетие, заключается в том, что по мере развития опухоли молекулярная идентичность ее клеток начинает нарушаться. Как результат, любая опухоль может содержать группы клеток с разными генетическими наборами, скоростью роста и, как следствие, чувствительностью к определенным лекарственным препаратам.

Используя смесь из четырех квантовых точек, связанных с антителами и способных обнаруживать ассоциированные с раком белки, группа исследователей из Университета Эмори (Emory University) разработала метод картирования молекулярной гетерогенности биопсийных образцов опухолей простаты, взятых у раковых больных. Этот метод может применяться и для изучения других типов опухолей.

Исследовательской группой, разработавшей новый метод характеристики биопсийных опухолевых образцов, руководил ведущий исследователь Университета Эмори (Emory University) и Центра по использованию нанотехнологий в онкологии (Center of Cancer Nanotechnology Excellence) при Технологическом институте Джорджии (Georgia Institute of Technology) Шуминг Ни (Shuming Nie). Ученые сообщают о своей работе в журнале ACS Nano.

Доктор Ни и его коллеги выбрали в качестве мишеней четыре белка, использовав для связывания с ними моноклональные антитела. С каждым антителом они связали квантовую точку – яркую флуоресцентную наночастицу, излучающую свет с уникальной оптической характеристикой. После окрашивания раковой опухоли простаты человека четырьмя разными комплексами из антитела и квантовой точки ученые получили флуоресцентные изображения ткани, использовав обычную коммерческую мультиспектральную систему визуализации. Затем они проанализировали сырые спектральные данные с помощью компьютерной программы, способной отсортировать четыре оптические характеристики и создать карту областей, показывающих, где в опухолевых образцах аккумулируется каждая из четырех квантовых точек. Такие карты выявили сложные внутриопухолевые микросреды и определили большие различия биопсийных образцов, взятых у нескольких пациентов.

Карты также выявляют зоны структурных изменений предстательной железы, характерные для перехода здоровой ткани в злокачественную. Ученые отмечают, что их работа показывает, что изменения в архитектонике, происходящие в опухоли простаты, скорее всего, начинаются с одной злокачественной клетки в зонах железы, известных как люминальный и базальный слои.

Визуализация молекулярной гетерогенности раковой опухоли простаты с помощью нанокомплексов «антитело-квантовая точка»

Аннотация к статье: Shuming Nie et al. Molecular Mapping of Tumor Heterogeneity on Clinical Tissue Specimens with Multiplexed Quantum Dots

Оригинал статьи

Mapping Tumor Heterogeneity With Quantum Dots

Источник: NANO NEWS NET

Нанокапсулы для адресной радиотерапии

Новое исследование английских ученых доказывает, что нанокапсулы могут стать надежным средством адресной доставки радиоактивных изотопов в заранее определенные органы.

Группа исследователей, включающая Бэна Дэвиса (Ben Davis) и Малколма Грина (Malcolm Green), с химического факультета Оксфордского университета сообщает в Nature Materials, что они создали «клетку» из однослойной углеродной нанотрубки, а затем заполнили эту трубку расплавленными радиоактивными металлическими галогенидами.

Когда клетка с ее солевым содержимым «запечатывается» охлаждением концов углеродной нанотрубки, получается мельчайшая радиоактивная нанокапсула, несущая на своей внешней поверхности молекулы сахаров, улучшающих ее совместимость с организмом.

Чтобы проверить, как такие радиоактивные нанокапсулы будут восприниматься организмом, ученые использовали мышей.

Они обнаружили, что нанокапсулы накапливались в ткани легких, но не в щитовидной железе, желудке или мочевом пузыре, что обычно наблюдается со «свободными» радиоактивными солями, вводимыми без предварительного инкапсулирования. Даже через неделю после введения в организм нанокапсулы оставались стабильными, а значительного излучения вне легких не наблюдалось.

Наноинкапсуляция йодида в однослойную углеродную нанотрубку обеспечивает такое его биораспределение, при котором он полностью перенаправляется из ткани, обладающей врожденным сродством (например, щитовидной железы), к легким. Поверхностная функционализация наполненных радиоактивным йодом-125 однослойных углеродных нанотрубок предполагает многовариантность модуляций биораспределения таких радиоизлучающих кристаллов, определяемую доставляющей их капсулой.

Несмотря на то, что применение этого метода для лечения людей требует дальнейшей работы, ученые впервые показали, как может быть создана такая наноразмерная система для целевой радиотерапии, работающая внутри организма. Эти эксперименты демонстрируют, что наномасштабная радиохирургия шаг за шагом продвигается от научной фантастики к клинической практике.

Нанокапсулы как их видит Джерард Тобиас (Gerard Tobias)

Аннотация к статье: Benjamin G. Davis, Kostas Kostarelos, Malcolm L. Green et al. Filled and glycosylated carbon nanotubes for in vivo radioemitter localization and imaging

Оригинал статьи

Nanocapsule delivers radiotherapy

Источник: NANO NEWS NET

Наночастицы серебра смягчают вред, наносимый клеткам простыми спиртами

Наночастицы, образованные очень небольшим количеством атомов серебра, могут защищать клетки от вреда, наносимого этанолом. Исследование, доказывающее этот эффект, было проведено учеными из Университета Барселоны (University of Barcelona) совместно со специалистами из Лаборатории магнетизма и нанотехнологий Университета Сантьяго-де-Компостела (University of Santiago de Compostela), Испания. О своей работе исследователи сообщают в статье, анонсированной на обложке последнего номера журнала Journal of the American Chemical Society (JACS).

«Результаты исследования показывают, что кластеры из небольшого количества атомов серебра катализируют окисление этанола в концентрациях аналогичных тем, которые обнаруживаются в крови алкоголиков, и при значениях мембранного потенциала и рН, сопоставимых с существующими в клетках млекопитающих», - объясняет Густаво Эгеа (Gustavo Egea). Густаво Эгеа - профессор кафедры клеточной биологии, иммунологии и неврологии медицинского факультета Университета Барселоны, совмещающий свою преподавательскую деятельность с научной работой в Институте нанонауки и нанотехнологий (Institute of Nanosciences and Nanotechnology - IN2UB) и Научно-исследовательском институте биомедицины (August Pi i Sunyer Biomedical Research Institute - IDIBAPS).

Исследователи провели изучение влияния наночастиц серебра на астроциты, подвергшиеся предварительному воздействию этанолом. Этот тип клеток находится вблизи нейронов и широко используется для изучения патофизиологического влияния алкоголя при фетальном алкогольном синдроме, болезни, развивающейся у некоторых неродившихся детей, чьи матери принимали чрезмерные дозы алкоголя, и ведущей к целому ряду тяжелых неврологических расстройств.

Особенно вредное влияние алкоголь оказывает на нервные клетки, а при поражении астроцитов он вызывает запрограммированную клеточную смерть, или апоптоз, и изменения в актиновом цитоскелете. При последующем воздействии наночастиц серебра на предварительно обработанные этанолом клетки актиновый цитоскелет демонстрировал заметное улучшение состояния, а смерть клеток не наступала. «Таким образом, вредный эффект этанола на астроциты смягчается наночастицами серебра, действующими в качестве цитопротектора», - объясняет Хавьер Сельва (Javier Selva), преподаватель кафедры клеточной биологии, иммунологии и неврологии и первый автор статьи.

Исследование сочетает в себе анализ электрокаталитических свойств наночастиц серебра с изучением их возможного применения в биологии. «Эта область электрохимии очень перспективна применительно к клеточной биологии, использующей различные свойства наночастиц, образованных очень небольшим количеством атомов – так называемых атомных кластеров», - объясняет Густаво Эгеа.

Авторы также обнаружили, что наночастицы предотвращают изменения, вызываемые другими простыми спиртами, такими как метанол и бутанол, но не оказывают никакого влияния на эффекты, производимые другими токсичными веществами, например, перекисью водорода.

Аннотация к статье: Javier Selva, Susana E. Martínez, David Buceta, María Rodríguez-Vázquez, M. Carmen Blanco, M. Arturo López-Quintela and Gustavo Egea. Silver sub-nanoclusters electrocatalyze ethanol oxidation and provide protection against ethanol toxicity in cultured mammalian cells

Оригинал статьи

A new study shows that silver nanoparticles mitigate the cell damage caused by ethanol

Источник: NANO NEWS NET

Самоорганизующиеся супрамолекулярные нанокомплексы селективно уничтожают раковые клетки

Множество проведенных учеными исследовательских работ демонстрируют, что золотые наночастицы являются перспективным средством для лечения различных форм рака. При облучении лазерным светом наночастицы золота быстро нагреваются. Температура их нагрева достаточно высока, чтобы вызвать образование взрывающихся микропузырьков, убивающих близлежащие раковые клетки – физический процесс, известный как фототермальный, или фотонный, эффект.

Для увеличения эффективности такого подхода исследователи из Университета Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California, Los Angeles) разработали метод создания супрамолекулярных комплексов из функционирующих в качестве фототермальных агентов наночастиц золота такого размера, который оптимизирует их доставку в опухоли.

Сянь-Ронг Цзэн (Hsien-Rong Tseng) и его коллеги сообщают о своей работе в журнале Angewandte Chemie International Edition. Доктор Цзэн является членом Центра наносистемной биологии рака (Nanosystems Biology Cancer Center), одного из Центров по использованию нанотехнологий в онкологии (Center for Cancer Nanotechnology Excellence) Национального института рака (National Cancer Institute).

Для создания самоорганизующихся супрамолекулярных наночастиц золота ученые использовали преимущества двух молекул – циклодекстрина (cyclodextrin) и адамантина (adamantine), очень прочно связывающихся друг с другом. Сначала они взяли наночастицы золота диаметром 2 нм и связали с их поверхностью адамантан (adamantane), а затем создали еще две конструкции: циклодекстрин, связанный с биосовместимым полимером полиэтиленимином (polyethyleneimine), и адамантан, связанный с полиэтиленгликолем (polyethylene glycol), другим биосовместимым полимером. Смешанные в различных пропорциях эти три конструкции быстро собираются в наночастицы с четко определенными размерами – от 40 до 118 нанометров в диаметре. К поверхности получившихся в результате процесса самосборки супрамолекулярных комплексов исследователи присоединили молекулу-лиганд, специфически связывающую всю конструкцию с опухолью.

Для своего исследования ученые использовали комплексы размером 118 нанометров и показали, что при облучении лазерным светом их температура быстро поднимается до 374 C – температуры, при которой происходит образование способных взрываться микропузырьков. Для проверки того, насколько эффективно такие комплексы убивают раковые клетки, они добавили их к клеткам опухоли головного мозга, облучили светом, а затем измерили, какое количество клеток погибло в течение двух часов. В качестве контроля исследователи повторили эксперимент с клетками, не имевшими рецептора, с которым связывался лиганд, добавленный к нанокомплексу на последнем этапе его создания. Результаты этого эксперимента ясно продемонстрировали, что наночастицы с добавленными к ним молекулами-ориентирами легко убивают клетки-мишени, но не наносят вреда клеткам без соответствующих рецепторов. Дополнительные эксперименты показали, что 2-х нанометровые наночастицы золота уничтожают клетки-мишени не столь эффективно, как это делают супрамолекулярные комплексы.

Активируемая лазером нанобомба: супрамолекулярные наночастицы золота (Au-SNPs) строго определенного размера были синтезированы из коллоидных частиц золота размером 2 нм в результате реализации процесса самосборки. Такие супрамолекулярные комплексы демонстрируют значительно усиленный фотонный эффект и в сочетании с облучением лазерным светом могут использоваться для избирательного уничтожения раковых клеток после добавления к ним специфического лиганда.

Аннотация к статье: Hsian-Rong Tseng et al. Photothermal Effects of Supramolecularly Assembled Gold Nanoparticles for the Targeted Treatment of Cancer Cells

Оригинал статьи

Self-Assembling Gold Nanoparticles Use Light to Kill Tumor Cells

Источник: NANO NEWS NET

Вглубь живой материи

Ученые научились «видеть» молекулы воды внутри белка

Группа исследователей из Case Western Reserve University (США) разработала метод, позволяющий «видеть» молекулы воды, находящиеся в глубине белков, открыв сеть, по которой передается информация, когда эти белки активны.

Результаты их работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые заглянули вглубь родопсина, находящегося в сетчатке глаза белка, ответственного за зрительное восприятие при слабом освещении. Родопсин является одним из белков, входящим в семейство, называемое рецепторами, сопряженными с G-белками - G-protein coupled receptors (GPCRs). Для осуществления взаимодействий с другими белками и передачи через клеточные мембраны информации, регулирующей многие важные молекулярные пути, эти белки физически меняют свою форму при переходе в активное состояние. Родопсин «включается» светом, заставляющим его изменить форму и запустить серию молекулярных событий, делающих возможным ночное зрение.

«Никто не знает, как такие молекулярные пути передают информацию», - говорит Сайан Гупта (Sayan Gupta), соавтор работы, сотрудник Case Western Reserve University и Национального источника синхротронного света (National Synchrotron Light Source - NSLS). «Мы думаем, что вода играет важную роль в сохранении структуры белков и регулирует ее динамику. Теперь у нас есть метод, позволяющий изучать молекулы воды глубоко внутри белков с помощью рентгеновских лучей».

Для изучения роли воды в изменении формы протеинов исследователи применили сочетание двух методов: регистрацию радиолитических белков (radiolytic protein footprinting) и масс-спектрометрию.

«Мы сфокусировали интенсивное рентгеновское излучение из установки X28C на препаратах родопсина, среди которых белок был как в активном, так и в неактивном состоянии», - говорит Гупта. «Этот мощный метод приводит к образованию из молекул воды гидроксильных радикалов, которые затем химически модифицируют находящиеся рядом аминокислоты, составляющие белок».

С помощью масс-спектрометрии ученые определили химические модификации и создали молекулярные карты, показывающие, где молекулы воды находятся внутри белка, когда он «включен» и когда «выключен». Они пришли к выводу, что в ответ на активацию белка молекулы воды перестраиваются и взаимодействуют с его ключевыми областями, необходимыми для функционирования.

«Водородные связи молекул воды придают таким белкам определенную пластичность и способность принимать различные формы», - говорит соавтор работы Томас Эйнджел (Thomas Angel).

«Внутри этих белков вода создает электростатическую сеть», - добавляет Гупта. «Сеть может разомкнуться, измениться, а затем образоваться вновь, передавая через белок поток информации на другую сторону клеточной мембраны».

Известно, что генетические мутации в ассоциированных с водой областях белков вызывают заболевания. Например, подобные мутации в белке родопсине являются причиной одного из видов генетически обусловленной «куриной слепоты», которая часто приводит к полной потере зрения.

Белки-рецепторы G-белков являются «стражами ворот», первыми звеньями многих биологических реакций, таких, например, как реакции бегства или борьбы. От них в значительной степени зависит наше настроение и даже деятельность сердца.

«Роль воды в активации родопсина, вполне возможно, прослеживается и в других белках суперсемейства GPCR», - считает Эйнджел. «Эти рецепторы являются очень важными фармацевтическими мишенями, учитывая то, что они мощно усиливают сигналы во многих сигнальных путях. Это суперсемейство является и важной биомедицинской мишенью, ведь около 50 процентов существующих на рынке фармацевтических препаратов взаимодействуют именно с этими рецепторами. Если мы научимся активировать и инактивировать эти белки и сигнальные пути, наше влияние на биологические реакции будет значительно расширено».

Мембранный белок родопсин из суперсемейства рецепторов G-белков (GPCR) демонстрирует структурную активацию связанной воды как функцию сигнального статуса рецептора. Рентгеновское излучение ионизирует молекулы воды внутри и вне структуры мембранного белка, приводя к образованию радикалов (ОН^-, светящиеся шары), которые реагируют с соседними аминокислотными боковыми цепями. Когда в процессе прохождения сигнала белок меняет свою структуру, картина реакционной способности воды внутри белка меняется, отражая передачу сигнала через мембрану.

Аннотация к статье: T.E. Angel, S. Gupta, B. Jastrzebska, K. Palczewski and M.R. Chance. Structural waters define a functional channel mediating activation of the GPCR rhodopsin

Оригинал статьи

Researchers Find Way to "See" Water Molecules Hidden Inside Proteins

Источник: NANO NEWS NET

Клеточное деление регулируется колебаниями нескольких белков

Деление клетки – важнейшее, но опасное событие. Оно разворачивается в цикле, состоящим из множества шагов, включая репликацию ДНК, образование веретена, митоз и многое другое, и все они должны проходить в правильном порядке, чтобы не допустить смерти клетки или ее ракового перерождения. В новом исследовании ученых из Университета Рокфеллера (Rockefeller University) изучается активность двух белков в самом сердце системы контроля клеточного цикла. Ученые пришли к выводу, что в клеточном цикле представлен не один, а несколько независимых процессов, помогающих поддерживать порядок. Работа дает основания полагать, что автономные осциллирующие белки могут координировать события клеточного цикла с помощью феномена, называемого фазовой синхронизацией, или фазовой автоподстройкой частоты (phase-locking), подобно тому, как наш суточный ритм синхронизирован со сменой дня и ночи в природе.

«Мы предполагаем, что клеточный цикл современных эукариот может запускаться несколькими колебательными модулями», - говорит Инь Лу (Ying Lu), бывший сотрудник лаборатории молекулярной генетики дрожжей Фредерика Р. Кросса (Frederick R. Cross), являющегося руководителем исследования. «Такая модульность может обеспечить клеточному делению функциональную устойчивость».

В центре системы регуляции клеточного цикла находится белок циклинзасисимая киназа (cyclin-dependent-kinase - Cdk). Ее независимая колебательная активность устанавливает скорость и порядок событий клеточного цикла. Если бы колебания Cdk были единственным пейсмейкером цикла в клетке, их блокирование приводило бы к его остановке. В экспериментах, недавно опубликованных в Cell, ученые проверили эту гипотезу, наблюдая за тем, что происходит с другим важным для клеточного цикла белком – Cdk14, который обычно отходит из ядрышка, активируется и начинает противодействовать Cdk, когда клетка выходит из митоза. Используя количественную временную конфокальную (time-lapse) микроскопию, ученые смогли «захватить» транзитное движение Cdk14 и процесс его активации. Затем они заблокировали колебания Cdk, прервав дальнейшую прогрессию цикла, и с удивлением обнаружили, что периодическая активация/инактивация Cdk14 продолжалась, как и при нормальном делении клетки. Они также обнаружили отрицательную обратную связь, лежащую в основе активности осциллятора Cdk14, вывод, указывающий на то, что клеточный цикл может подчиняться нескольким автономным пейсмейкерам.

Существование таких пейсмейкеров поднимает другой вопрос, говорит Лу, который сейчас является постдокторантом лаборатории Марка Киршнера (Marc Kirschner) в Гарвардском университете (Harvard University). Как осцилляторы с различными собственными частотами координируют свои деятельность для согласования прогрессии клеточного цикла? Эксперименты показывают, что хотя активность Cdk14 колеблется при постоянном уровне Cdk, частота его колебаний регулируется несколькими различными состояниями активности Cdk, что указывает на то, что автономные осцилляторы клеточного цикла могут взаимно координировать друг друга с помощью феномена фазовой синхронизации (phase-locking). Такая система, подобная циклам дня и ночи, определяющим наши циркадные ритмы, помогает объяснить эволюцию клеточного цикла, направленную на обеспечение его точности и надежности.

«Мы считаем, что несколько осцилляторов, независимо сосуществующих в клеточном цикле, могут достичь согласованности на основе взаимодействий, влияющих на их частоты», - говорит Лу.

Видео. Клеточная синхрония. Ученые заблокировали деление дрожжевых клеток, чтобы изучить поведение ключевых белков, контролирующих события клеточного цикла. Вверху: Cdc14 (зеленый) колеблется, отделяясь от ядрышка (красное) и иногда перекрываясь его (желтый). (Credit: Image courtesy of Rockefeller University)

Аннотация к статье: Lu et al. Periodic Cyclin-Cdk Activity Entrains an Autonomous Cdc14 Release Oscillator

Оригинал статьи

Cell division orchestrated by multiple oscillating proteins, new research finds

Новый метод исследования активации светочувствительных клеток

Дарвиновская «бесконечность форм, красивейших и чудеснейших», в конечном итоге может быть сведена к небольшому количеству аминокислот – 20 с небольшим – основных структурных элементов жизни. Такой скудной палитрой природа рисует белки, создавая дикое разнообразие жизни на Земле, от простейшей бактерии до самой сложной структуры известной в нашей Вселенной – человеческого мозга. Исследователи из Университета Рокфеллера (The Rockefeller University) разработали новую методику детального изучения функций белков с помощью несуществующей в живой природе аминокислоты.

Работа опубликована он-лайн в журнале Nature.

Эксперименты, описанные в Nature, дали новые данные о светочувствительном рецепторе родопсине, имеющем важнейшее значение для сумеречного зрения, показывающие, что свет вызывает изменения в структуре белка гораздо быстрее, чем считалось ранее – порядка десятков микросекунд против миллисекунд. Чтобы ввести аминокислоту, azidoF, производное фенилаланина, в несколько точек родопсина, руководитель лаборатории молекулярной биологии и биохимии Томас Сакмар (Thomas P. Sakmar) и сотрудник кафедры Шиксин Е (Shixin Ye) в сотрудничестве с коллегами из Германии, Англии, Испании и Швейцарии объединили различные методы генной терапии. Azido, имеющая в своем составе три атома азота, представляет собой особенно хороший датчик по трем причинам: в отличие от других меток azido не существует в клетках млекопитающих, что позволяет легче «видеть» ее в клетке и отличать от других молекул; она достаточна мала, чтобы не мешать нормальному функционированию белка; у нее есть химические свойства, делающие ее хорошим «крючком», на который можно «повесить» другие молекулы, например флуоресцентные маркеры.

Метод фактически может быть применен для введения флуоресцентного маркера в любую точку любого белка клетки млекопитающих. «В долгосрочной перспективе мы видим свою цель в том, чтобы пометить рецепторы в живых клетках и с помощью флуоресцентных меток проводить исследования отдельных молекул», - говорит Сакмар. «Такие эксперименты могут высветить мелкие функциональные различия, которыми все существующие в мире белки отличаются друг от друга».

Подобные подходы уже были успешно использованы на бактериях, но в прошлом году ученые впервые показали, что их метод может применяться и на клетках млекопитающих с такой же специфичностью и эффективностью. Широкий генетический скрининг позволил исследователям эффективно выбрать мишени для azido. Затем они подтвердили присутствие azido с помощью инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием (fourier transform infrared spectroscopy - FTIR), позволяющей измерять валентные колебания атомов в аминокислотах в составе белка.

Так как azido имеет уникальную частоту колебаний, чувствительную к окружению, ученые использовали данные спектроскопии для подтверждения структурных изменений, которые происходят в родопсине на свету и в темноте. «Мы хотели получить датчик, который не мешал бы белку и мог рассказать нам о его структуре и функции», - говорит Сакмар. «И мы его получили».

Ученые смогли увидеть ненаблюдаемые ранее изменения в структуре родопсина, своего рода модельного образца вездесущих рецепторов G-белков (GPCR), состоящего из семи спиральных нитей трансмембранного рецептора эукариотических клеток. Существует более 700 рецепторов G-белков только в геноме человека, которые представляют собой различные сигнальные системы, активируемые светочувствительными молекулами, запахами, нейротрансмиттерами, гормонами и феромонами. Ученые изучают участки GPCR, в данном случае родопсина, которые широко распространены или сохраняются среди родственных рецепторов.

«Мы обнаружили, что процесс активации, начинающийся с расхождения спиралей – самая ранняя стадия передачи сигнала – проходит быстрее, чем предполагалось, возможно, на целый порядок», - говорит Сакмар. Он надеется использовать свой метод для определения механических компонентов «переключателя», активирующего рецепторы, которые вовлечены в развитие широкого спектра заболеваний и являются мишенями для многих лекарственных препаратов.

Аннотация к статье: Ye et al. Tracking G-protein-coupled receptor activation using genetically encoded infrared probes

Оригинал статьи

New probe technology illuminates the activation of light-sensing cells

Откуда мы?

Большой Взрыв в белковой вселенной?

Ученые испанского Центра геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation - CRG) предоставили свидетельства, подтверждающие общность происхождения жизни, применив к изучению эволюции белков новый вычислительный подход.

Работа, опубликованная в Nature, была вдохновлена астрономом Эдвином Хабблом. Экстраполяция подхода Хаббла на белки доказывает, что молекулярное строение белков, имевших миллиарды лет назад общего предка, продолжают дивергировать.

Другими словами, эволюция белков еще не достигла своего предела и продолжается. В то же время исследование дает новую информацию о том, почему эта эволюция идет так медленно и носит столь консервативный характер, демонстрируя при этом, что белковые структуры в эволюционном плане более пластичны, чем считалось раньше.

Почти сто лет назад Эдвин Хаббл заметил, что далекие галактики удаляются от Земли быстрее, чем более близкие. Эта связь между расстоянием и скоростью широко цитируется как доказательство происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва. Исследователи из Центра геномной регуляции использовали подход Хаббла для исследования дивергенции белковых последовательностей.

«Мы хотели узнать, продолжается ли сейчас дивергентная эволюция белков. Сегодня мы можем найти белки, которые аналогичны тем, что существовали почти 3.5 миллиарда лет назад. Наше исследование показывает, что их дивергенция продолжается, и белки становятся все более и более разными, несмотря на невероятную степень консервативности», - говорит Федор Кондрашев (Fyodor Kondrashov), руководитель проекта и группы эволюционной геномики в CRG.

Работа Федора Кондрашева и Инны Поволоцкой (Inna Povolotskaya) выходит за рамки подобных исследований и рассматривает эволюцию белков с точки зрения эволюционной динамики, предлагая новые взгляды на то, как белковые структуры сохраняются в процессе эволюции. «Так же как наблюдения Хаббла привели к пониманию прошлого и будущего нашей Вселенной, использование его подхода на молекулярном уровне позволило нам получить обзор, дающий возможность проанализировать эволюционную динамику и прогнозировать возможные изменения белков в будущем», - говорит Поволоцкая, первый автор работы, ответственная за получение и анализ всех данных.

Белки образуются из аминокислот, причем только из 20 их видов. Чтобы получить данные для своего исследования, ученые сравнили белковые последовательности различных видов, использовав GenBank – публичные данные о генетической информации. Сравнивая эти последовательности, они измерили расстояние между белками и разработали метод измерения скорости накопления различных изменений. Таким образом, они повторили подход Хаббла, соотнеся расстояние между белками со скоростью их дивергенции. Результаты показали, что даже самые близкие белки все же накапливают различия.

Исследование показывает, как новые методы биоинформатики и вычислительного анализа могут расширить наши знания на молекулярном уровне. «Наша работа представляет собой хороший пример того, как мы можем узнать новые и очень принципиальные факты, анализируя большой объем данных, полученных одной экспериментальной лабораторией», - говорит Кондрашев.

Большинство изменений в белке вредны, так как, так или иначе, нарушают его структуру или функцию. Наблюдение ученых о том, что даже очень консервативные белки все еще дивергируют, оспаривает этот взгляд, так как подразумевает, что большинство аминокислот в белке могут быть изменены без каких-либо негативных последствий. Они считают, что замена аминокислоты, вредная в одном сочетании, может оказаться благоприятной в другой. «Благодаря нашему исследованию мы теперь лучше понимаем динамику структуры белков», - говорит Кондрашев. Это может открыть широкие перспективы для занимающихся белковыми структурами ученых в плане выявлении, например, новых мишеней при разработке лекарственных препаратов.

Исследование Поволоцкой и Кондрашева дают новую информацию и о том, как различные взаимодействия между различными аминокислотами в структуре белков замедляют, но не предотвращают полностью их эволюцию.

Аннотация в статье: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe

Оригинал статьи

Big Bang in the Protein Universe?

Ученые нашли новый источник энергии для ранних форм жизни

Исследователи из Университета Лидса (University of Leeds) обнаружили новый ключ к происхождению жизни на Земле.

Ученые пришли к выводу, что соединение, известное как пирофосфит, могло быть важным источником энергии для примитивных форм жизни.

Существует несколько противоречивых теорий о том, как миллиарды лет назад из неживой материи на Земле возникла жизнь – процесс, известный как абиогенез.

«Это вопрос о курице и яйце», - говорит доктор Терри Ки (Terry Kee) из Университета Лидса, руководивший исследованием. «Ученые разделились во мнении относительно того, что появилось раньше – репликация или метаболизм. Но существует и третья часть уравнения – энергия».

Чтобы функционировать, все живые организмы требуют постоянного притока энергии. Эта энергия переносится по нашему организму определенными молекулами (одна из самых известных из них – АТФ), превращающими тепло солнца в доступную для растений и животных форму.

В любой момент времени в организме человека находится 250 грамм АТФ. Это обеспечивает его количеством энергии, вырабатываемой одной батарейкой АА. Запас АТФ постоянно используется и регенерируется в клетках благодаря процессу, известному как дыхание, который поддерживается естественными катализаторами, называемыми ферментами.

«Чтобы получить АТФ, нужны ферменты, а чтобы получить ферменты, нужен АТФ», - объясняет доктор Ки. «Вопрос заключается в следующем: откуда бралась энергия до того, как появилось и то, и другое. Мы думаем, что ответ заключается в простых молекулах, таких как пирофосфит, который с химической точки зрения очень близок к АТФ, но может передавать энергию без ферментов».

Ключом к свойствам АТФ и пирофосфита является элемент фосфор, необходимый для всех живых существ. Он является активным компонентом не только молекулы АТФ, но и составляет основу молекулы ДНК, а также играет важную роль в структуре клеточных стенок.

Но несмотря на важность значения фосфора для жизни, до сих пор не в полной мере понятно, как он появился в атмосфере Земли. Одна из теорий состоит в том, что он содержался в метеоритах, сталкивавшихся с Землей миллиарды лет назад.

«Фосфор присутствует в нескольких метеоритных минералах и возможно, что в кислых вулканических условиях ранней Земли он мог вступать в реакции с образованием пирофосфита», - добавляет доктор Ки.

Открытия, опубликованные в журнале Chemical Communications, впервые ставят вопрос о том, что пирофосфит мог быть важным звеном в переходе от простой химии к сложной биологии в период зарождения жизни на Земле. Со времени завершения этой работы доктор Ки и его коллеги обнаружили еще более убедительные доказательства важности этой молекулы и теперь надеются объединить свои усилия с учеными из NASA, чтобы исследовать ее роль в абиогенезе.

Аннотация к статье: “On the prebiotic potential of reduced oxidation state phosphorus: the H-phosphinate-pyruvate system”

Оригинал статьи

'Nature's batteries' may have helped power early lifeforms

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.