Исследователи из Института нанонаук и наук о жизни (WPI-NanoLSI) при университете Канадзава [сообщают](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c07332) в журнале ACS Nano, как можно контролируемо активировать белки в клетках с помощью нагрева. Этот эффект может быть использован для запуска программируемой гибели клеток.
Клеточные процессы регулируются активностью белков
Управление функционированием белков имеет большое значение для разработки биотехнологических инструментов. Однако добиться достаточной пространственной и временной точности при этом крайне сложно. Один из подходов к решению этой задачи, называемый термогенетикой, основан на тепловой реакции определённых белков, при которой лёгкое нагревание или охлаждение приводит к их активации или деактивации.
Разработка термогенетического инструмента
Конг Куанг Ву и Сатоси Арай из университета Канадзава разработали термогенетический инструмент на основе полипептидов, который позволяет легко регулировать температуру активации белка. Они использовали его для достижения программируемой гибели клеток, полученных из организма человека.
Учёные работали с так называемыми эластиноподобными полипептидами (ELP), биополимерами, состоящими из повторяющихся аминокислотных блоков. ELP растворимы ниже определённой температуры; выше температурного порога они группируются в капли-коацерваты.
Температура перехода ELP зависит от точного состава его мономерных строительных блоков, а также от их количества. Изменяя эти характеристики, можно точно настроить температуру перехода ELP, что открывает возможности для создания биомолекулярных систем, чувствительных к температуре, которые можно активировать и деактивировать с помощью нагрева.
Активация CASP8
Исследователи связали ELP с белком под названием каспаза-8 (CASP8), который обнаружен у людей и других млекопитающих. При активации CASP8 претерпевает структурные преобразования, которые в конечном итоге приводят к гибели клетки-хозяина — процессу, называемому апоптозом.
Ву и Арай стремились создать ELP с температурой перехода на несколько градусов выше температуры тела, чтобы для индукции перехода из раствора в капли-коацерваты требовалось лишь лёгкое нагревание. Затем этот ELP был объединён с CASP8. Выше температуры перехода комплексы ELP-CASP8 образовывали капли-коацерваты, заставляя части CASP8 выстраиваться таким образом, чтобы активировать белок.
Чтобы отслеживать активацию CASP8, учёные разработали индикатор CASP8. Механизм индикации включает флуоресцентные белки, которые, как только CASP8 активируется, перемещаются из внешней среды в ядро клетки. Измерение интенсивности флуоресценции флуоресцентных белков в ядре клетки позволило отличить активированный CASP8 от неактивированного.
Проверка термогенетической схемы активации CASP8
Чтобы проверить осуществимость предложенной схемы термогенетической активации CASP8, Ву и Арай применили её к клеткам, полученным из почки человека. Они обнаружили, что термочувствительная система CASP8 действительно привела к индуцированной гибели клеток при повышении температуры. Исследователи также провели эксперименты с локальным нагревом с помощью инфракрасного лазера, продемонстрировав, что их термогенетически контролируемый подход к апоптозу работает и на уровне отдельных клеток.
Ву и Арай предполагают, что их термогенетический инструмент может быть применён и к другим клеточным процессам, помимо апоптоза, что открывает путь для различных биотехнологических приложений. Учёные объясняют: «Заменив CASP8 другими биомолекулами, можно разработать дополнительные термогенетические инструменты для модуляции различных клеточных функций, таких как активность ферментов, взаимодействия белок-белок и экспрессия генов».
Предоставлено университетом Канадзава.