Исследователи из Корнелла нашли новый и потенциально более точный способ увидеть, что делают белки внутри живых клеток — используя собственные компоненты клеток в качестве встроенных датчиков.
Этот подход может помочь учёным изучить, как молекулы соединяются внутри клеток, в том числе в вирусах, и как белки неправильно сворачиваются при таких заболеваниях, как рак и нейродегенеративные заболевания.
Исследователи обнаружили новый способ использования природных белков, вырабатываемых клеткой, в качестве крошечных датчиков для передачи информации об их окружении и взаимодействиях без применения традиционных инвазивных методов, которые могут нарушать нормальную биологию клетки и искажать результаты исследований. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41467-025-60623-6) в Nature Communications.
«Этот метод в основном полезен для понимания новых биологических механизмов, таких как те, которые могут быть задействованы при таких заболеваниях, как рак, или во время инфекции», — сказал Брайан Крейн, профессор Джорджа У. и Грейс Л. Тодд на факультете химии и химической биологии в колледже искусств и наук и автор статьи.
«Например, можно отслеживать сборку вируса, используя этот метод, чтобы понять, как и где его компоненты создаются внутри клеток», — добавил он.
Крейн и его коллеги сосредоточились на флавинах — небольших молекулах, производных витамина B2, которые могут действовать как магнитные метки внутри клеток. Это [магнитное свойство](https://phys.org/tags/magnetic+property/) позволяет обнаруживать их с помощью метода, называемого [спектроскопией электронного спинового резонанса](https://phys.org/tags/electron+spin+resonance/) (ЭСР), который похож на МРТ, но измеряет чрезвычайно малые изменения и расстояния на наноуровне.
Отслеживая поведение белков, называемых флавопротеинами, которые переносят флавины, исследователи могут обнаружить, как другие молекулы организуются и перемещаются в живых клетках.
Поскольку флавопротеины существуют во многих биологических системах, исследователи увидели способ использовать их в качестве встроенных датчиков. Запустив магнитные свойства флавина с помощью света, они смогли использовать ЭСР для изучения структур белков непосредственно внутри клеток — без применения синтетических химикатов.
«Мы изучали свойства некоторых флавопротеинов и обнаружили, что их магнитные спиновые состояния более стабильны, чем ожидалось в клетках», — сказал Тимоти Шовир, научный сотрудник лаборатории Крейна в Институте Вейлла по клеточной и молекулярной биологии и ведущий автор исследования. «И из более ранних работ по светочувствительным белкам мы поняли, что можем использовать свет для запуска сигнала, необходимого для обнаружения этих молекул с помощью ЭСР».
Чтобы протестировать свой новый метод, исследователи изучили бактериальный белок под названием Aer, который помогает бактериям E. coli ощущать кислород. Aer работает с двумя другими белками, CheA и CheW, для передачи сигналов через мембрану. Хотя эти белки изучались и ранее, впервые исследователи смогли непосредственно наблюдать, как рецептор Aer собирается внутри живой клетки.
«Мы узнали, что Aer образует сборки более высокого порядка — массивы молекул в мембране, которые работают вместе для усиления сигналов», — сказал Крейн. «Эти архитектуры нестабильны и не формируются вне клеток».
С помощью ЭСР команда измерила расстояние между двумя флавинами в димере Aer — комплексами из двух идентичных белковых молекул — с точностью до ангстрема, подтвердив не только структуру димера, но и выявив более крупные сборки, которые формируются внутри клеток.
Исследователи также разработали небольшой сконструированный флавопротеин под названием iLOV, который можно генетически соединить с другими белками, чтобы сделать их видимыми с помощью ЭСР. Этот инструмент действует как молекулярный тег, позволяя учёным изучать структуру и расположение практически любого белка внутри живой клетки.
Исследование также продемонстрировало, что ЭСР, ранее в основном ограничивавшаяся очищенными белками в пробирках, теперь может использоваться в живых системах с поразительной детализацией.
«Спектроскопия ЭСР не ограничивается изучением очищенных молекул или реконструированных систем», — сказал Крейн.
Команда адаптирует метод для других типов клеток, особенно [клеток млекопитающих](https://phys.org/tags/mammalian+cells/), чтобы увидеть, смогут ли они отслеживать процессы в более сложных средах.
Предоставлено Корнельским университетом.