Американские ученые продемонстрировали, что новый основанный на лазерных технологиях метод может быть использован для измерения взаимодействий между белками, встроенными в клеточную мембрану, и рядом других биологических молекул. Эти чрезвычайно трудные измерения могут помочь в разработке лекарственных препаратов.

По оценкам ученых, около 30 процентов из 7000 белков клетки человеческого организма находятся в ее мембране, и эти мембранные белки инициируют от 60 до 70 процентов сигналов, управляющих работой молекулярных клеточных машин. Этим объясняется тот факт, что мишенями около половины лекарственных препаратов современного фармацевтического рынка являются мембранные белки.

Однако их изучение – нелегкая задача. Отдельные мембранные белки чрезвычайно трудно очистить, поэтому ученые располагают очень небольшим количеством информации об их структуре. Кроме того, существующие методы измерения их активности имеют серьезные ограничения. Чтобы проанализировать активность мембранного белка, в большинстве существующих методов мембраны удаляются из их естественной среды или модифицируются различными способами, например, маркировкой флуоресцентными метками.

Профессор химии Дэррил Борнхоп (Darryl Bornhop),
разработавший метод интерферометрии обратного рассеяния
(Фото: Joe Howell / Университет Вандербильта)

«Помимо того, что такие модификации дороги и трудоемки, они могут непредсказуемым образом повлиять на функцию изучаемой мембраны», – говорит профессор химии Университета Вандербильта (Vanderbilt University) Дэррил Борнхоп (Darryl Bornhop), разработавший новый метод.

В статье, опубликованной в он-лайн издании журнала Nature Biotechnology, группа Борнхопа и их коллеги из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) сообщают, что основанный на лазерных технологиях метод, названный интерферометрией обратного рассеяния (backscattering interferometry, BSI), может точно измерять силу взаимодействия между мембранными белками и как большими, так и малыми молекулами в их естественном окружении.

Паттерны, созданные красным лазером в интерферометре обратного рассеяния.
(Фото: Daniel Dubois/Университет Вандербильта)

«Это мощный инструмент и важный шаг вперед в измерении взаимодействий мембранных белков», – комментирует достижение директор Института химической биологии Вандербильта (Vanderbilt Institute of Chemical Biology) Лоренс Марнетт (Lawrence Marnett), который не принимал участия в данном исследовании, но рассчитывает на сотрудничество с группой Борнхопа.

Интерферометрия обратного рассеяния обманчиво проста. Она измеряет силу взаимодействия между двумя молекулами, помещенными в микроскопическую заполненную жидкостью камеру, просвечивая ее красным гелио-неоновым лазером, таким, который используется в сканерах штрих-кодов. При правильной геометрии камеры лазер дает интерференционную картину, крайне чувствительную к тому, что делают молекулы. Если, например, молекулы начинают взаимодействовать друг с другом, интерференционный паттерн меняется.

Схематическое изображение принципа работы интерферометрии обратного рассеяния (backscattering interferometry, BSI) (a) и малых однослойных пузырьков (везикул) (SUVs), на которых ученые проводили измерения (b).
(Рисунок: nature.com/nbt)

Чтобы проверить эффективность метода, ученые создали синтетические мембраны, содержащие небольшой белок GM1, являющийся главной мишенью токсина холерного вибриона, используемого им для проникновения в клетку. Смешав эти мембраны с холерным токсином В, они измерили силу взаимодействия, которая хорошо согласовывалась с величиной, полученной другими методами.

Аналогичные испытания были проведены и с естественными мембранами и тремя мембранными белками, один из которых связан с раком груди, второй – с болью и воспалением, а третий является нейротрансмиттером ГАМК (гаммааминомасляной кислотой), помогающим снять напряжение и регулирующим чувство тревоги.

Смешав мембраны, содержащие каждый из этих белков, с взаимодействующими с ними молекулами-лигандами, исследователи убедились, что метод BSI и в этом случае обеспечил измерения, соответствующие полученным другими методами.

Университет Вандербильта уже получил три патента на этот процесс и выдал эксклюзивную лицензию на разработку технологии Molecular Sensing, Inc.

Аннотация к статье Label-free quantification of membrane-ligand interactions using backscattering interferometry