Сверхчувствительный сенсор

Уникальная разработка российских ученых позволит исследователям всего мира расширить понимание роли пероксида водорода в нормальных и патологических процессах в живых организмах

Артем Григоров, пресс-служба ИБХ РАН

Пероксид водорода (H₂O₂) – одна из важнейших биологически активных молекул. Она является вторичным продуктом аэробного метаболизма, а также генерируется различными ферментными системами. Аномально высокий уровень H₂O₂ приводит к так называемому окислительному стрессу, являющемуся причиной множества патологических процессов. В физиологических концентрациях это соединение выполняет внутриклеточные и внеклеточные сигнальные функции, осуществляет окислительно-восстановительную (редокс) регуляцию ключевых биохимических процессов. Регуляторный потенциал пероксида водорода реализуется в чрезвычайно низких наномолярных концентрациях, молекула обладает высокой реакционностью и, следовательно, коротким временем жизни (до нескольких секунд). Все вместе это сильно затрудняет изучение точных механизмов продукции и распределения H₂O₂ в клетках и тканях, физиологической роли этой молекулы, ее участие в патологических процессах.

Разработка отечественных ученых стала плодом их многолетней деятельности по созданию биосенсоров пероксидов водорода. Первое поколение таких сенсоров, в свое время также получивших мировое признание и способствовавших расширению знаний в области редокс-биологии, обладало, однако, рядом недостатков. Имевшиеся до настоящего времени зонды не позволяли детектировать сверхнизкие концентрации H₂O₂, то есть именно такие, в которых реализуется большая часть функций данной молекула. К тому же, сенсоры были зависимы от кислотности (рН) среды и обладали недостаточной яркостью. Теперь исследователям под руководством доктора биологических наук, профессора РАН Всеволода Вадимовича Белоусова, руководителя Отдела метаболизма и редокс-биологии ИБХ РАН, удалось создать первый в мире сверхчувствительный обратимый сенсор H₂O₂, стабильно работающий в эукариотических клетках в широком диапазоне рН. Работа опубликована в высокорейтинговом журнале Cell Metabolism (Pak et al., Ultrasensitive Genetically Encoded Indicator for Hydrogen Peroxide Identifies Roles for the Oxidant in Cell Migration and Mitochondrial Function).

Биосенсор HyPer7 состоит из флуоресцентного белка GFP, сшитого с белком OxyR. Источник: Всеволод Белоусов.

Новый зонд HyPer7 представляет собой комплекс из зеленого флуоресцентного белка, интегрированного в белок OxyR бактерии Neisseria meningitidis, чувствительный к окислению пероксидом водорода, но не другими активными формами кислорода. Для того чтобы его разработать, ученые исследовали множество белков OxyR у различных бактерий, варьировали схему интеграции OxyR и флуоресцентного белка, использовали направленный и случайный мутагенез. В результате удалось получить уникальный инструмент визуализации, работающий при сверхнизких концентрациях пероксида водорода, с высокой яркостью и коротким временем отклика, независимый от физиологических изменений рН.

Градиент пероксида водорода в клетке задает направление ее движения. Стрелка показывает направление движения. Источник: Всеволод Белоусов, адаптировано из оригинальной публикации.

С помощью разработанного сенсора авторам работы уже удалось изучить детали диффузии H₂O₂ между митохондриями и цитозолем, исследовать роль градиентов пероксида водорода в поляризации клеток, и при повреждении тканей. Разработка отечественных ученых позволит исследователям всего мира визуализировать H₂O₂ в различных биологических контекстах и исследовать роль этой молекулы в нормальных биохимических процессах, а также в широком круге патологий, в которых окислительный стресс играет ключевую роль: ишемических, нейродегенеративных, воспалительных и онкологических заболеваниях.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru