Флуоресцентные белки произвели революцию в науке, позволив исследователям метить и визуализировать отдельные молекулы в живых клетках, тканях и животных. Используя эти инструменты, исследователи наблюдали за заражением клеток вирусами в режиме реального времени, изучали сбор клеточного мусора и отслеживали сигналы, стимулирующие рост опухолей.

Ученые из Института Салка и их коллеги из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна усовершенствовали эту технологию визуализации. Новая технология, получившая название флуоресцентных наноантител, стабилизируемых антигенами видимого спектра (VIS-Fbs), была апробирована на нескольких типах клеток млекопитающих и представляет собой мощный инструмент для широкого спектра исследовательских применений в области биологических наук.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Methods.

«Эта работа создает универсальную платформу для визуализации белков с высокой специфичностью и минимальным фоновым шумом», — говорит соавтор Аксель Ниммерьян, доктор философии, профессор и заведующий кафедрой им. Франсуазы Жило-Салк в Институте Салка. «Она открывает новые возможности для изучения того, как молекулярные и клеточные процессы разворачиваются в реальном времени в различных биологических системах».

Как можно оптимизировать существующие технологии клеточной визуализации?

Инновация началась с крошечных белковых фрагментов, называемых наноантителами, которые можно модифицировать для связывания со специфическими белковыми мишенями в живых клетках. При соединении с флуоресцентными белками эти зонды на основе наноантител могут показывать, где расположены целевые белки и как они себя ведут. Однако обычные версии могут генерировать сигнал даже в несвязанном состоянии, создавая фоновую флуоресценцию, которая может скрывать мелкие детали.

Группа исследователей из Института Салка и Института Эйнштейна разработала новый тип зонда, который сохраняет способность нацеливания наноантител, значительно снижая при этом фоновую флуоресценцию. VIS-Fbs становятся стабильными и флуоресцентными только при связывании с целевым белком. Эта зависимая от связывания («по требованию») флуоресценция снижает фоновый шум примерно в сто раз, что позволяет гораздо точнее визуализировать расположение и динамику белков.

Кроме того, исследователи разработали несколько вариантов этого нового зонда, которые флуоресцируют практически во всем видимом спектре, от синего до дальнего красного. Благодаря такому разнообразию цветовых вариантов можно одновременно отслеживать несколько клеточных мишеней.

Некоторые варианты VIS-Fb также можно включать и выключать с помощью света, что позволяет отслеживать поведение белка во времени с высокой пространственной и временной точностью. Исследователи также разработали модульную структуру, позволяющую быстро адаптировать зонды VIS-Fb к различным мишеням и функциональным показателям.

Что изучают учёные с помощью световых зондов?

Новая технология позволит ученым получать более точные и своевременные данные о клеточной активности — даже в сложных условиях, таких как живая ткань мозга. Исследователи продемонстрировали возможности VIS-Fbs на различных живых моделях.

В экспериментах на мышах зонды VIS-Fb позволили избирательно маркировать и проводить ратиометрическую визуализацию активности кальция в нейронах и астроцитах во время поведения. В экспериментах на рыбах данио эта технология позволила отслеживать в реальном времени динамические изменения на ранних стадиях развития и в ответ на препараты, изменяющие сигнальные пути.

«Наши результаты показывают, что эта платформа визуализации обеспечивает гораздо более четкое и точное представление о том, как белки ведут себя внутри живых систем», — говорит соавтор исследования Владислав Верхуша, доктор философии, профессор и содиректор Центра биофотоники им. Грюсса Липпера в Медицинском колледже Альберта Эйнштейна.

«Это открывает возможности для изучения сложных биологических процессов, таких как клеточная сигнализация, развитие и прогрессирование заболеваний, новыми способами».