Ученые ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН вместе с коллегами из нескольких российских университетов предложили использовать светящиеся белки для тестирования низкодозовых радиоактивных эффектов. В экспериментах с тритиевой водой они показали, что цвет свечения разряженного белка обелина изменяется даже при низких дозах облучения, что открывает возможность для создания новых систем для тестирования радиационной токсичности. Результаты исследования опубликованы в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry (Alieva, Kudryasheva, Variability of fluorescence spectra of coelenteramide-containing proteins as a basis for toxicity monitoring).
Многие организмы в природе светятся. Если для обывателя все виды свечения похожи, то с точки зрения науки между ними есть фундаментальные отличия. Например, так называемое живое свечение – биолюминесценция – определяется химическими реакциями с участием биологических катализаторов белковой природы. В результате этих реакций образуется возбужденная молекула, которая испускать видимый свет. Помимо «химического» способа накачки флуоресцентных молекул энергией, существует и другой – их прямое возбуждение при облучении светом.
Самая известная светящаяся биомолекула – это знаменитый зеленый флуоресцентный белок (GFP – green fluorescent protein), который излучает свет в зеленой области спектра при облучении его синим светом. За исследования этого белка группа американских ученых получила в 2008 году Нобелевскую премию по химии. С тех пор наблюдается бум в исследовании светящихся биомолекул. Такие белки выделяют из различных организмов. Они находят свое применение в первую очередь в тест-системах. Ученые изменяют цвет свечения этих молекул; внедряют гены, ответственные за синтез излучающих белков, в другие организмы; создают системы для медицинской диагностики, визуализации внутриклеточных процессов, обнаружения в окружающей среде загрязняющих веществ.
В недавнем исследовании красноярские биофизики обратили внимание на другой тип флуоресцентных белков – разряженные фотопротеины – и предложили использовать их для биотестирования радиоактивных эффектов. Ранее красноярскими учеными была исследована система свечения морского полипа Obelia longissimi и выделен светящийся белок обелин. После протекания биолюминесцентной реакции образуется «разряженный» обелин (сложный белковый комплекс), который обладает флуоресцентными свойствами. Если на этот комплекс посветить, то в темноте он будет испускать свет в широком диапазоне – от фиолетового до сине-зеленого. Оказалось, что разряженный обелин – удобный объект для биотестирования различных токсичных эффектов, в частности, радиационного воздействия. В качестве источника низкодозового излучения ученые использовали бета-излучающий изотоп трития в составе тритиевой воды. При облучении разряженного обелина даже небольшими дозами бета-излучения вклады фиолетового и сине-зеленого цветов в спектре свечения молекулы изменялись.
Изменение спектра свечения молекулы разряженного обелина
под действием радиоактивного излучения.
«Сейчас актуальна разработка биотестов разного уровня. Так можно исследовать все проявления токсичности – от интегрального воздействия на организм до изменений на уровне элементарных физико-химических процессов, которые протекают в биологических молекулах. В нашем случае радиоактивное воздействие оказывает влияние на структуру белкового комплекса. Именно поэтому изменяется цвет его свечения. В результате мы не только получаем новый биотест, но и приближаемся к пониманию механизмов токсичности» – рассказывает ведущий научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН, профессор Сибирского федерального университета, доктор физико-математических наук Надежда Кудряшева.
На самом деле, любая молекула при детальном рассмотрении представляет собой сложно устроенный механизм, для работы которого важно взаимодействие его фрагментов. Так, интенсивность свечения разряженного обелина в фиолетовом и сине-зеленом частях спектра зависит от пространственной структуры молекулы и эффективности переноса элементарной частицы – протона – внутри белкового комплекса при возбуждении светом. Любое нарушение структуры этого белка приводит к уменьшению эффективности переноса протона и увеличению вклада фиолетовой компоненты в спектре свечения. Получается, что ученые добрались до базового уровня воздействия радиации на молекулу – под действием излучения изменяется ее пространственная конфигурация.
«Мы обнаружили, что изменение соотношения цветов в спектре излучения подобных флуоресцентных биокомплексов типичны не только для радиации. Буквально на днях у нас приняли в печать статью, где описываются схожие реакции для самых разных негативных воздействий – органических соединений, радиации, изменения температуры. Речь идет о новом физико-химическом подходе к тестированию токсичности. Мы выходим на базовый уровень тестирования с помощью простейшей системы, которая оценивает воздействие токсиканта на структуру биологической макромолекулы. При этом, судить об изменении молекулы можно по ее флуоресценции, т.е. удобным и широко используемым методом, в отличие от стандартных структурных анализов, которые часто включают сложную, дорогую и разрушительную пробоподготовку. Такие системы могут быть очень чувствительными, миниатюрными и относительно дешевыми,» – поясняет Надежда Кудряшева.
«Открытая наука»
Egor Zadereev, Федеральный исследовательский центр КНЦ СО РАН
