Биологи создали класс белковых биосенсоров, которые светятся в присутствии заданного патогена или маркера заболевания. По словам исследователей, модульность системы позволяет достаточно быстро создавать биосенсоры на новые молекулы-мишени: для этого достаточно провести компьютерный анализ и заменить один из доменов белка. Авторы опубликованной в Nature работы опробовали описанный ими сенсор на ботулотоксине, коронавирусе, маркере инфаркта миокарда и других клинически значимых мишенях.

Биосенсоры на основе белков играют важную роль в синтетической биологии. В фундаментальных исследованиях белковые сенсоры используют для изучения процессов, протекающих в клетках, а в медицине с их помощью, например, надеются предсказывать эффективность терапии для пациентов с онкологическими заболеваниями. Подобные сенсоры создаются на основе существующих в природе белков. Для этого подбирается белковый домен, который может связываться с целевой молекулой-мишенью, и соединяется с репортерным доменом, который выдает читаемый сигнал. Главный недостаток такого подхода — трудозатратность, потому что требуется много биоинженерных преобразований, чтобы получить эффективный биосенсор из этих двух доменов. Поэтому исследователи ищут универсальную платформу, на основе которой можно будет легко создавать биосенсоры на белковые молекулы различных патогенов или маркеров заболеваний, просто заменяя в нем необходимые «детали». Рациональный компьютерный дизайн белков, который активно развивается в последние годы, позволяет создавать белки с необходимыми характеристиками de novo.

В качестве биосенсора может служить белковая система, обладающая двумя почти равными энергетическими состояниями. И присутствие молекулы-мишени должно регулировать, будет ли протекать реакция в сторону видимого ответа, например свечения или смены цвета.

Ученые выделяют три требования к потенциальной сенсорной системе: изменение в системе должно приводить к видимому результату; изменение в системе, которое приводит к видимому результату, не должно зависеть от молекулы-мишени, чтобы систему в целом можно было использовать для детекции разных веществ; и, наконец, система должна легко поддаваться настройке, чтобы можно было детектировать вещества с разными энергетическими характеристиками связывания с сенсором, и чтобы можно было регулировать минимальную детектируемую концентрацию.

Исследователи из Вашингтонского университета под руководством Дэвида Бэйкера (David Baker) создали белковую систему, которая удовлетворяет этим требованиям. Компоненты системы биологи назвали достаточно просто: клетка и ключ. Обе части содержат по кусочку люциферазы, и только когда ключ присоединяется к клетке, люцифераза становится целой и запускает реакцию свечения. В составе клетки два домена: сама клетка и соединенная с ней защелка. Защелка прикрывает собой то место, куда должен присоединиться ключ. В присутствии молекулы-мишени защелка связывается с ней, освобождая место для ключа, и издаваемое свечение говорит о том, что реакция прошла успешно.

Система устроена таким образом, что энергии связывания ключа с клеткой недостаточно, чтобы превзойти энергетические затраты открытия клетки в отсутствии мишени. Но в присутствии мишени дополнительная энергия связывания мишени с защелкой заставляет защелку открыться и приводит к свечению. Поскольку ключ и клетка всегда одни и те же, систему можно перестраивать под разные мишени, просто меняя связывающий ее домен в защелке. Функционирование системы зависит от термодинамического равновесия, поэтому задавая необходимые энергии связывания в системе, можно регулировать минимально детектируемые концентрации веществ.

Работоспособность системы проверили на ботулотоксине — ядовитом веществе, нейротоксине, который вырабатывается анаэробными бактериями и часто становится причиной серьезных отравлений консервами. Попадание ботулотоксина в организм с пищей вызывает сильные нарушения в работе нервной системы и паралич скелетных мышц. Моментальное определение причины отравления помогло бы быстрее оказать необходимую помощь, а превентивное тестирование пищи – предотвратить подобные случаи. Исследователи показали, что ответ на присутствие ботулотоксина Б виден уже через несколько минут. Схожим способом авторы работы определили наличие в растворе белка HER2, повышенная экспрессия которого у человека указывает на развитие определенных типов рака молочной железы, и маркера инфаркта миокарда.

Ученые не прошли мимо и пандемии коронавируса: они показали возможность детекции антител к ковиду и белка-«шипа» (spike protein) вируса, который он использует для проникновения в клетку. Также удалось обнаружить и присутствие вируса гепатита Б и антител к нему.

Авторы работы отмечают, что их разработка должна быть удобна в клиническом применении: вся реакция проходит в одной пробирке, результат виден практически мгновенно, и его можно точно оценить с помощью простой камеры мобильного телефона. De novo созданные белки хорошо нарабатываются клетками, поэтому проблем с массовым производством биосенсоров возникнуть не должно.

Ученые охотно ищут применение новейших биотехнологий для детекции заболеваний. Например, системы на основе технологии CRISPR-Cas: система SHERLOCK точно обнаруживает даже небольшие мутации, а еще один сенсор ищет коронавирус, также выдавая ответ, который можно считать при помощи камеры смартфона.

Вера Сысоева