ВЫПУСК 99

Наночастицы золота определяют белки в следовых количествах

Наночастицы золота, предназначенные для обнаружения внутриклеточных белков и использующие только свет лазера, могут стать простым и высокочувствительным инструментом для мониторинга тромбообразования и других заболеваний. Шотландские ученые показали, что новые частицы могут точно определять в образцах крови биомаркер тромбообразования – белок тромбин.

В конечном итоге исследователи рассчитывают на проведение испытаний, при которых золотые наносенсоры будут вводиться непосредственно в кровь пациента, позволяя проводить измерение концентрации белка простым освещением кожи светом лазера. В ближайшей перспективе метод позволит ученым приступить к изучению взаимодействий белков, например, белков вирусов, происходящих непосредственно в клетке.

Сенсор состоит из кремниевого ядра диаметром 120 нанометров, покрытого тонким слоем золота. На золотой оболочке находятся аптамеры – короткие цепочки нуклеиновых кислот, предназначенные для связывания со специфической молекулярной мишенью. Когда свет лазера падает на аптамер, молекула сначала поглощает свет, а затем снова излучает его с характерным спектром, называемым «рамановским сигналом». Когда аптамер связывается с белком, меняется его конформация и, соответственно, излучаемый спектр. Золотая поверхность сенсора усиливает сигнал, увеличивая изменения в электрическом поле в ответ на свет лазера.

«Частица золота функционирует как своего рода преобразователь света лазера», - говорит химик из Университета Эдинбурга (University of Edinburgh) Колин Кэмпбелл (Colin Campbell), руководивший исследованием. Ученые могут определить уровни нужной им молекулы в растворе, измерив спектральные изменения. Метод дает возможность определять субфемтомолярные (10^-12) концентрации тромбина в сыворотке крови.

Работа опубликована в журнале Chemical Communications.

Исследователи утверждают, что их метод может быть адаптирован для определения целого ряда белков, но сначала они сконцентрировали свое внимание на тромбине. В Великобритании, где тромбозы являются причиной 25000 смертей в год, врачи оценивают риск повышенной свертываемости крови и образования тромба у каждого поступившего в больницу пациента. Используемые сейчас анализы требуют забора крови и многоступенчатого процесса, в котором с белком связывается флуоресцентное антитело. Новый метод сможет обеспечить простой мониторинг пациентов с высоким риском и предотвратить связанные с тромбозом смерти. Вместо однократного измерения колеблющихся уровней тромбина такой анализ позволит обеспечить постоянный мониторинг и оповещение о том, что уровень белка стал опасно высоким.

«Очень важно уметь выявлять белки без использования флуоресцентных маркеров», - говорит директор Центра биомолекулярной нанотехнологии Университета Калифорнии, Беркли (Biomolecular Nanotechnology Center at University of California, Berkeley) Люк Ли (Luke Lee), не принимавший непосредственного участия в данном исследовании. Флуоресцентная маркировка сложна, а сигнал может ослабевать или даже полностью исчезать.

Метод позволяет определять низкие концентрации белков в таком малом объеме крови, как аттолитр (10^-18 л). Хотя такая чувствительность не является критичной для определения риска тромбообразования, она важна для мониторинга других заболеваний. Ученые могут записывать измерения, произведенные в различных клеточных органеллах – отдельных внутриклеточных образованиях – а не усредненные данные для клетки в целом. «Это замечательное достижение – определять белок при таких низких концентрациях», - утверждает Ли.

«Мы можем определить, что происходит в клетке в определенный момент времени при вирусной инфекции», - говорит Михаэль Охсенкюн ( Michael Ochsenkühn), химик из Университета Эдинбурга и один из участников проекта. В настоящее время шотландские ученые используют тот же метод для исследования биомолекулярных взаимодействий при аутоиммунных заболеваниях, а также взаимодействий между клеткой-хозяином и вирусными патогенами.

Кэмпбелл и его коллеги ранее уже показали полную безопасность введения в клетку золотых нанооболочек – они не вызывают гибели клеток и не препятствуют росту новых. Так как золото химически инертно, организм не будет отторгать импланты. Однако существует ряд препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем метод можно будет широко использовать для медицинских исследований.

«Ограничением к подобным разработкам является отсутствие аптамеров, связывающихся со специфическими белками», - говорит химик-аналитик из Университета Наньян (Hanyang University) в Корее Джэбум Чу (Jaebum Choo). «В то время как аптамеры для тромбина хорошо известны, для других белков сейчас существует очень небольшое их количество. Для дальнейшего развития технологии биологи и биохимики должны найти различные виды аптамеров для связывания с нужными белками».

Оригинал статьи

Gold Nanosensors to Track Disease

Мифический Уроборос воссоздан на молекулярном уровне

Двое химиков из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) синтезировали новый наноразмерный научный инструмент - мельчайший молекулярный переключатель, самостоятельно включающийся и выключающийся при обнаружении ионов металлов в своем непосредственном окружении.

Изображенная на обложке апрельского выпуска Международного издания журнала Angewandte Chemie, эта молекула может оказаться очень полезной в качестве лабораторного инструмента для управления реакциями в пробирке и имеет большой потенциал в качестве основы новой технологии, способной с высокой чувствительностью определять металлы, токсины и другие загрязнители воды, воздуха или почвы.

Молекула названа «уроборандом» по имени мифического Уробороса (хвостоед – греч.), похожего на ящерицу существа, проглатывающего самого себя от хвоста до головы. В мифологии «цикличный» Уроборос всегда изображается с хвостом в пасти и обычно воспринимается как символ вечности. В лаборатории Института Скриппса, где она была синтезирована, молекула уроборанда либо «проглатывает», либо «выплевывает» свой хвост, функционирующий как переключатель, включающийся или выключающийся в зависимости от присутствия металлов.

Такое переключение возможно потому, что молекула имеет чашеобразную голову на одном конце и хвост на другом. Хвост может закручиваться и «подключаться» к голове – совсем как ящерица, пожирающая свой хвост.

«В отсутствии металлов хвост молекулы находится внутри полости на другом ее конце», - объясняет Джулиус Ребек (Julius Rebek), директор Института химической биологии Скэггса (Skaggs Institute for Chemical Biology) при Исследовательском институте Скриппса.

В присутствии ионов цинка и других металлов часть молекулы, связывающая голову и хвост, закручивается вокруг иона металла и разводит голову и хвост в разные стороны, как бы раскрывая молекулу. Если металл убрать, хвост снова «подключится» к другому концу молекулы.

Когда Ребек и его докторант Фабиен Дурола (Fabien Durola) синтезировали эту молекулу и решили назвать ее уроборандом, они как бы вернулись к давней мечте химиков и алхимиков. В Средние века и во времена Ренессанса мифический Уроборос был символом, используемым в алхимии, древней практике-предшественнице современной химии.

Дух древнего символа позднее был перенесен даже в современную химию. Более столетия назад известный немецкий химик Август Кекуле (August Kekule) увидел сон о змее с хвостом в пасти, после чего он выдвинул гипотезу о цикличной замкнутой структуре молекулы бензола, широко используемого промышленного растворителя.

Оригинал статьи

New Nano-Tool Synthesized at Scripps Research Institute

В лабораториях ученых

Новое вещество убивает раковые клетки, лишая их энергии

Раковые клетки растут так быстро, что могут опередить развитие своего кровоснабжения и остаться без кислорода. Тогда клетки переходят к производству энергии другим способом - с меньшим потреблением кислорода, но с большим потреблением сахара.

Исследователи Центра всестороннего изучения рака Государственного университета Огайо (Ohio State University Comprehensive Cancer Center), Онкологической больницы Артура Джеймса (Arthur G. James Cancer Hospital) и Научно-исследовательского института Ричарда Солова (Richard J. Solove Research Institute) создали экспериментальный лекарственный препарат, ограничивающий поступление сахара, что приводит к самоуничтожению клеток.

Вещество OSU-CG12 является примером нового класса противоопухолевых препаратов, называемых энергорестриктивными миметиками (energy-restriction mimetic agents). Оно описано в статье, недавно опубликованной в журнале Journal of Biological Chemistry.

«Ограничение выработки энергии может стать новой мощной стратегией лечения рака, так как мишенью препаратов в этом случае является механизм выживания клеток, используемый во многих формах рака», - говорит руководитель исследования Цинь-Ши Чен (Ching-Shih Chen), профессор медицинской химии, терапии и урологии.

«Наше исследование доказывает, что новое вещество убивает раковые клетки благодаря ограничению энергии. Это означает, что можно создать лекарственные препараты, нацеленные на ограничение энергии, и это замечательно, так как энергорестриктивные миметические средства могут оказаться полезными для лечения и других заболеваний, включая метаболический синдром, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и ожирение», - говорит Чен.

Энергорестриктивные миметики вызывают в раковых клетках изменения, подобные тем, которые происходят в них в условиях отсутствия главного источника энергии – сахара глюкозы.

Разработку нового вещества Чен и его коллеги начали с препарата, называемого циглитазон (ciglitazone), который был разработан для лечения сахарного диабета II типа, но в лабораторных экспериментах проявлял и противораковую активность.

Оригинальный препарат проявлял антидиабетические свойства путем активации белка PPAR-гамма и нескольких генов. Считалось, что за его противораковые эффекты ответственен тот же механизм. Однако Чен и его коллеги показали, что противоопухолевые эффекты препарата проявлялись благодаря другому механизму, а именно, ограничению выработки энергии.

Для усиления такой активности они изменили структуру циглитазона и получили OSU-CG12. Используя культуры клеток рака простаты и рака молочной железы, ученые показали, что новое вещество в 10 раз лучше уничтожало раковые клетки, чем циглитазон и другой препарат – ресвератрол, натуральное вещество, найденное в винограде и красном вине, имеющее некоторую противораковую активность и работающее также за счет ограничения энергии.

Более того, они показали, что новое вещество как предотвращает поступление глюкозы в клетку, так и подавляет способность клетки к ее усвоению.

Лишенные топлива, раковые клетки начинает самопереваривание, процесс, называемый аутофагией, сопровождающийся другими биохимическими событиями, ведущими к смерти клетки в результате естественного процесса – апоптоза.

Чен и его коллеги продолжают модификацию OSU-CG12 с целью дальнейшего увеличения эффективности. Они также надеются испытать свой препарат на моделях других заболеваний, таких как сердечно-сосудистые болезни и болезнь Альцгеймера.

Оригинал статьи

New Agent Chokes Off Energy Supply, Kills Cancer Cells

Вглубь живой материи

Открыты новые свойства белка Ku, восстанавливающего разрывы хромосом

Ученые неоднократно доказали, что повреждение ДНК в течение нашей жизни является ключевым механизмом развития рака и других возрастных заболеваний. Не каждый человек заболевает такими болезнями, так как организм имеет многочисленные механизмы устранения вреда, наносимого ДНК старением, условиями окружающей среды и особенностями поведения, но механизмы, лежащие в основе репарации в каждом конкретном случае повреждения ДНК, пока не достаточно хорошо поняты учеными.

В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из Центра всестороннего изучения рака Лайнбергера (Lineberger Comprehensive Cancer Center) в Чэпел Хиллз при Университете Северной Каролины (University of North Carolina) доказали, что особый белок – называемый Ku – особенно эффективен при восстановлении цепочек ДНК.

По мнению Дэйла Рамсдена (Dale Ramsden), доцента кафедры биохимии и биофизики и члена учебной программы по генетике и молекулярной биологии, белок Ku – очень интересный белок, так как он использует уникальный механизм ремонта особенно грубых форм повреждения ДНК.

«Повреждения ДНК в форме разрыва хромосомы, или разрыв двойной цепочки, очень сложно восстановить – это не простой разрыв, и участки цепочки могут быть повреждены на уровне основных строительных блоков ДНК – нуклеотидов», - замечает Рамсден.

Разрывы хромосом можно сравнить с разрывами нитей пряжи, состоящей из нескольких различных волокон. В том случае, если нить не разрезана ножницами, она изнашивается и может разорваться в нескольких различных местах по всей длине. Концы таких грубых обрывов становятся «грязными», что делает их более сложными для восстановления.

«Считалось, что разрывы двойной цепочки - самый сложный класс повреждений ДНК и что такие разрывы вообще нельзя восстановить с достаточной точностью», - говорит Рамсден.

Однако ученые обнаружили, что белок Ku, который уже давно был высоко оценен за его способность находить разрывы в цепочке ДНК, фактически устраняет «грязь» на концах разрыва, что позволяет добиться гораздо более точного восстановления, чем считалось возможным.

«Этот белок фактически лечит как на уровне нуклеотидов, так и на уровне хромосом», - говорит Рамсден, сравнивая его действие с промыванием или дезинфекцией раны перед ее зашиванием для ускорения заживления.

Ученые надеются, что открытый ими механизм репарации ДНК в будущем может стать мишенью для лечения возрастных заболеваний, обусловленных повреждением хромосом.

Оригинал статьи

Key protein aids in DNA repair

Уточнен механизм самосборки белковых нитей в амилоидоподобные волокна

Ученым удалось уточнить детали основного механизма, ответственного за самосборку нитевидных белков в структуры, напоминающие ленты, так называемые амилоидные фибриллы, или волокна. Сочетая эксперименты и теорию, они смогли объяснить, как денатурированные белки молока собираются в лентообразную структуру, имеющую в составе до 5 нитей. Результаты исследования проливают совершенно новый свет на сборку таких белков.

Атомно-силовой микроскоп отображает волокна толщиной в несколько нанометров и длиной в несколько микрон как белые гибкие палочки. Самой характерной особенностью таких белков является их способность к самосборке в сложные лентовидные витые волокна.

Ученые из Федерального швейцарского технологического института (ETH) Цюриха, Политехнической федеральной школы (EPF) Лозанны и Университета Фрайбурга (University of Fribourg) объединились для получения атомно-силовых изображений волокон и для их анализа, используя понятия из физики полимеров и теоретического моделирования. Такое сочетание привело к выработке набора общих правил, регулирующих сборку филаментов в более толстые и витые волокна.

Результаты исследования опубликованы в текущем номере научного журнала Nature Nanotechnology.

«Предложенная нами модель чрезвычайно точна в плане прогнозирования», - говорит Раффаэле Меззенга (Raffaele Mezzenga), профессор Федерального швейцарского технологического института Цюриха. «До сих пор настолько точной и общей модели образования амилоидных волокон не существовало», - продолжает Джованни Дитлер (Giovanni Dietler), профессор физики живой материи в Политехнической федеральной школе Лозанны.

Структура амилоидных волокон, выявленная в результате экспериментов, удивила ученых. Отдельные белки образуют длинные нити, которые затем собираются вместе и образуют лентовидные витые волокна.

Меззенга объясняет, что лентовидная структура является логическим следствием наличия сильного электрического заряда на строительных блоках волокон. Фактически, отдельные белки испытывают сильное взаимное отталкивание, предотвращающее их связывание, и лентовидная структура – единственно возможная форма, позволяющая ограничить это отталкивание. На настоящий момент единственной недостающей информацией в представленной модели остается точная природа слабого притяжения между строительными блоками, приводящего к сборке белковых нитей. Ученые соглашаются во мнении, что на протяжении филамента существуют домены с гидрофобными свойствами, лишенные электрического заряда, которые и являются источником слабого притяжения. Таким образом, наблюдается баланс между силами притяжения и отталкивания, результатом которого является лентовидная витая конформация.

Самоорганизующиеся белки широко распространены в живой материи, и их можно найти, например, в больших агрегатах, образующихся при свертывании крови. Сферические белки используются в пищевой промышленности в качестве эмульгаторов, геле- и пенообразователей, а в лабораторных условиях образуют амилоидоподобные структуры. Такие волокна обладают свойствами (упругость, растворимость и т.д.), благоприятными для текстурирования пищи или для получения специальных структур. Молочный белок бэта-лактоглобулин, изучаемый Меззенгой и его коллегами, сначала имеет сферическую форму, но под воздействием тепла в сочетании с кислой средой образует нитевидные структуры. Бэта-лактоглобулин – важный компонент молочной сыворотки и имеет большое значение для пищевой промышленности.

Знания об этом пищевом белке, полученные учеными в ходе исследования, могут быть использованы в медицине. Амилоидоподобные волокна обнаруживаются в организме людей, больных нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни Альцгеймера и Кройтцфельдта-Якоба. Такие волокна хотя и образуются из очень разных белков, также имеют лентовидную и витую структуру, и их сборка в длинные агрегаты находится сейчас под пристальным вниманием ученых. Модель, предложенная исследователями, может помочь понять происхождение и развитие нейродегенеративных заболеваний.

Оригинал статьи

The assembly of protein strands into fibrils

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии»