Исследователи университета Вандербильта (штат Теннесси, США) разработали уникальный способ изучения взаимодействий между белками в биологических мембранах. С его помощью, в частности, можно определять «силу» взаимодействия рецепторов (обычно это белки) с веществами, которые они распознают, что необходимо для решения многих биохимических задач, в том числе при разработке новых лекарственных субстанций. Важнейшее преимущество нового метода состоит в том, что изучаемые белки не нужно изменять ни генетически, ни химически. Кроме того, их не требуется очищать, а значит, эксперимент можно проводить в условиях, очень близких к естественным.

Схема нового экспериментального метода изучения функции белков. Особая конструкция микроячейки позволяет исследовать обратное рассеяние лазерного луча, которое зависит от молекулярных событий, происходящих в системе.

За последние десятилетия появилось множество методов изучения биологических молекул — электронная и атомно-силовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, плазмонный резонанс и многие другие. Однако большинство из них имеют один существенный недостаток — изучаемый биологический образец приходится «убивать» или существенно модифицировать. В связи с этим всё большую популярность приобретают «мягкие» методы исследования, которые позволяют наблюдать образец прижизненно, то есть непосредственно в клетках или даже организмах, или по крайней мере в «привычном» молекулярном окружении.

Для характеристики «силы» связывания малой молекулы (лиганда) со своим рецептором в биохимии используют понятие константы диссоциации (K_d). Чем меньше эта константа, тем сильнее связывание; в биологии константы <10⁻⁹ М (1 наномоль на 1 л) соответствуют очень «сильному» и избирательному связыванию.

Новая технология основана на интересном физическом эффекте: изменении коэффициента преломления жидкости, содержащей взаимодействующие биомолекулы. Лазерный луч, направленный на экспериментальную микроячейку, отражаясь и рассеиваясь от неё, интерферирует сам с собой, что и регистрирует цифровая камера. При взаимодействии молекул, содержащихся в жидкости, интерференционная картина будет меняться в зависимости от изменённого показателя преломления среды. На основе анализа полученных картин интерференции вычисляется изменение фазы лазерного луча, по которому можно рассчитывать константу взаимодействия K_d. Метод получил название интерферометрии обратного рассеяния.

Сначала разработанную методику протестировали на синтетических биологических мембранах — липидных везикулах, содержавших моносиалоганглиозид GM1. Эта молекула участвует в развитии нервной ткани и одновременно играет роль троянского коня. Она является главной мишенью токсина холерного вибриона, который проникает в клетку, связавшись с ней. Проведя измерения при нескольких концентрациях холерного токсина, исследователи получили простую и очень характерную для биохимии кривую, из которой легко вычисляется K_d≈130 пМ. Данное значение, хоть и близко к измеренным ранее другими методами, несколько от них отличается. Исследователи объясняют это более естественным состоянием мембраны в используемых в эксперименте везикулах, нежели в средах, применяемых в других экспериментальных методиках.

Эксперимент продолжили с тремя мембранными рецепторами: гидролазой амидов жирных кислот, участвующей в работе нейронов (она же — мишень некоторых новых анальгетических лекарств), хемокиновым рецептором CXCR4, участвующим в развитии рака груди, и нейтротрансмиттером — γ-аминомасляной кислотой GABA_B, известным тем, что его очень сложно выделить и очистить, а следовательно, и работать с ним.

Во всех трёх случаях методика позволила определить «силу» взаимодействия (константы связывания) рецепторов с лигандами в естественных мембранах, что, как отмечают учёные, не позволяет сделать ни один другой метод, не прибегая к мечению образцов или их фиксации на твёрдой подложке — операциям, способным изменить функциональное состояние белковых молекул.

Учёные университета Вандербильта уже запатентовали метод интерферометрии обратного рассеяния и готовятся выпустить коммерческий прибор, действующий на этом принципе. Если методика и в реальной лабораторной практике окажется надёжной, точной и не капризной, ей можно предсказать большое будущее как в фундаментальных биологических исследованиях, так и в таких промышленных применениях, как фармакология и дизайн новых лекарственных субстанций.

№5, 2011