Синтетическая биология: разработан новый вид флуоресцентных белков

Ярко-зеленый флуоресцентный белок используется в научно-исследовательских лабораториях всего мира с середины 90-х годов прошлого века. Но теперь разработчики белков из Технического университета Мюнхена (Technische Universität Műnchen, TUM) сделали значительный шаг вперед: им удалось включить в натуральный белок синтетическую аминокислоту и таким образом, используя методы синтетической биологии, получить новый вид химерной флуоресцентной биомолекулы. Благодаря специфическому физическому эффекту флуоресцентный белок светится бирюзовым цветом при возбуждении ультрафиолетовым светом и демонстрирует непревзойденные до сих пор свойства. Ученые представили свои результаты в известном научном журнале Journal of American Chemical Society.

Взаимодействие двух красителей в биосинтетическом флуоресцентном белке. (Графика: A. Skerra / TUM)

Белки являются самыми важными функциональными биомолекулами в природе, широко используемыми в биологических исследованиях, в области биотехнологии и медицины. Так как же их можно наиболее эффективно модифицировать, чтобы придать им определенные заранее заданные свойства? В прошлом такие изменения вносились в белки либо химически, либо с помощью генной инженерии.

Исследовательская группа профессора кафедры биологической химии Арне Скерра (Arne Skerra) разработала более элегантное комбинированное решение этой проблемы: расширив универсальный генетический код, ученые смогли заставить бактериальные клетки производить белки с заранее заданными свойства с синтетическими функциональными группами. Чтобы проверить свою идею, они решили расколоть особенно крепкий орешек: включить в состав широко используемого природного белка ненатуральную аминокислоту, связав ее с определенным сайтом молекулы.

В биологических исследованиях этот белок широко известен как зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP). Он излучает ярко-зеленое свечение и ведет свое происхождение от медузы, которая использует его для того, чтобы быть видимой в темноте глубокого моря. В качестве синтетической группы ученые выбрали пигмент кумарин бледно-лавандового цвета, представленный боковой цепочкой ненатуральной аминокислоты. Они «скормили» эту искусственную аминокислоту лабораторной культуре бактерий кишечной палочки (Escherichia coli) – «рабочей лошадки» генной инженерии, чьи естественные «родственники» присутствуют в кишечнике человека. Так как ученые передали бактериям модифицированные генетические «кальки» GFP – в том числе необходимые механизмы биосинтеза – они включили аминокислоту с кумарином в строго определенное место флуоресцентного белка.

Это место в GFP было тщательно выбрано, объясняет профессор Скерра. «Мы расположили синтетическую аминокислоту на очень небольшом расстоянии от флуоресцентного центра натурального белка». Ученые использовали принцип так называемого Фёрстеровского резонансного переноса энергии (Föerster resonance energy transfer, FRET). При благоприятных условиях этот процесс физического переноса энергии, названный по имени немецкого физико-химика Теодора Фёрстера (Theodor Förster), позволяет ей передаваться от одного активированного пигмента другому нерадиационным путем.

Именно этот эффект FRET ученые очень элегантно реализовали в новом флуоресцентном белке. Они задали расстояние между импортированным химическим пигментом и биологическим сине-зеленым (если более точно, бирюзовым) пигментом белка медузы с таким расчетом, что взаимодействие между этими двумя красителями привело к совершенно новому виду химерной флуоресцентной молекулы. Из-за чрезвычайной близости этих двух флуоресцентных групп светло-лавандовое свечение синтетической аминокислоты больше не определялось; вместо этого доминировал типичный сине-зеленый цвет флуоресцентного белка.

«Отличие от натурального GFP заключается в том, что благодаря синтетически включенной аминокислоте флуоресценция может быть возбуждена коммерчески доступным источником ультрафиолетового света вместо специальной дорогостоящей лазерной аппаратуры», - объясняет Себастьян Кун (Sebastian Kuhn), для которого эти новаторские эксперименты были частью его докторской диссертации.

По мнению Скерра, принцип разработки этой новой биомолекулы, для которой характерна особенно большая и трудно достижимая разница между длиной волны возбуждения и длиной волны излучения, должен найти множество интересных применений: «Мы продемонстрировали, что метод работает. В будущем наша стратегия позволит создать флуоресцентные белки различных цветов с заранее заданными свойствами для самых разных целей».

По материалам

TUM researchers develop novel kind of fluorescent protein

Аннотация к статье Biosynthesis of a Fluorescent Protein with Extreme Pseudo-Stokes Shift by Introducing a Genetically Encoded Non-Natural Amino Acid outside the Fluorophore