Российские ученые предложили использовать светящиеся белки для тестирования низкодозовых радиоактивных эффектов. В экспериментах с тритиевой водой они показали, что цвет свечения разряженного белка обелина изменяется даже при низких дозах облучения, что открывает возможность для создания новых систем для тестирования радиационной токсичности. Результаты исследования ученых из Института биофизики ФИЦ Красноярского научного центра РАН, Красноярского государственного аграрного университета, Сибирского федерального университета и Московского государственного университета опубликованы в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry.
Многие организмы в природе светятся. Если для обывателя все виды свечения похожи, то с точки зрения науки между ними есть фундаментальные отличия. Например, так называемое живое свечение — биолюминесценция — определяется химическими реакциями с участием биологических катализаторов белковой природы. В результате этих реакций образуется возбужденная молекула, которая испускать видимый свет. Помимо «химического» способа накачки флуоресцентных молекул энергией, существует и другой — их прямое возбуждение при облучении светом.
Самая известная светящаяся биомолекула — это зеленый флуоресцентный белок (GFP — green fluorescent protein), который излучает свет в зеленой области спектра при облучении его синим светом. Ученые изменяют цвет свечения этих молекул; внедряют гены, ответственные за синтез излучающих белков, в другие организмы; создают системы для медицинской диагностики, визуализации внутриклеточных процессов, обнаружения в окружающей среде загрязняющих веществ.
В недавнем исследовании красноярские биофизики обратили внимание на другой тип флуоресцентных белков — разряженные фотопротеины – и предложили использовать их для биотестирования радиоактивных эффектов. Ранее красноярские ученые исследовали систему свечения морского полипа Obelia longissimi и выделен светящийся белок обелин. После протекания биолюминесцентной реакции образуется «разряженный» обелин (сложный белковый комплекс), который обладает флуоресцентными свойствами. Если на этот комплекс посветить, то в темноте он будет испускать свет в широком диапазоне — от фиолетового до сине-зеленого. Оказалось, что разряженный обелин — удобный объект для биотестирования различных токсичных эффектов, в частности, радиационного воздействия. В качестве источника низкодозового излучения ученые использовали бета-излучающий изотоп трития в составе тритиевой воды. При облучении разряженного обелина даже небольшими дозами бета-излучения вклады фиолетового и сине-зеленого цветов в спектре свечения молекулы изменялись.
«Сейчас актуальна разработка биотестов разного уровня. Так можно исследовать все проявления токсичности — от интегрального воздействия на организм до изменений на уровне элементарных физико-химических процессов, которые протекают в биологических молекулах. В нашем случае радиоактивное воздействие оказывает влияние на структуру белкового комплекса. Именно поэтому изменяется цвет его свечения. В результате мы не только получаем новый биотест, но и приближаемся к пониманию механизмов токсичности», — рассказывает ведущий научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН, профессор Сибирского федерального университета, доктор физико-математических наук Надежда Кудряшева.
На самом деле, любая молекула при детальном рассмотрении представляет собой сложно устроенный механизм, для работы которого важно взаимодействие его фрагментов. Так, интенсивность свечения разряженного обелина в фиолетовом и сине-зеленом частях спектра зависит от пространственной структуры молекулы и эффективности переноса протона внутри белкового комплекса при возбуждении светом. Любое нарушение структуры этого белка приводит к уменьшению эффективности переноса протона и увеличению вклада фиолетовой компоненты в спектре свечения. Получается, что ученые добрались до базового уровня воздействия радиации на молекулу — под действием излучения изменяется ее пространственная конфигурация.
«Мы обнаружили, что изменение соотношения цветов в спектре излучения подобных флуоресцентных биокомплексов типичны не только для радиации. Буквально на днях у нас приняли в печать статью, где описываются схожие реакции для самых разных негативных воздействий — органических соединений, радиации, изменения температуры. Речь идет о новом физико-химическом подходе к тестированию токсичности. Мы выходим на базовый уровень тестирования с помощью простейшей системы, которая оценивает воздействие токсиканта на структуру биологической макромолекулы. При этом, судить об изменении молекулы можно по ее флуоресценции, т.е. удобным и широко используемым методом, в отличие от стандартных структурных анализов, которые часто включают сложную, дорогую и разрушительную пробоподготовку. Такие системы могут быть очень чувствительными, миниатюрными и относительно дешевыми,» — поясняет Кудряшева.
