Исследователи университета Вандербильта (штат Теннесси, США) разработали уникальный способ изучения взаимодействий между белками в биологических мембранах. С его помощью, в частности, можно определять «силу» взаимодействия рецепторов (обычно это белки) с веществами, которые они распознают, что необходимо для решения многих биохимических задач, в том числе при разработке новых лекарственных субстанций. Важнейшее преимущество нового метода состоит в том, что изучаемые белки не нужно изменять ни генетически, ни химически. Кроме того, их не требуется очищать, а значит, эксперимент можно проводить в условиях, очень близких к естественным.
За последние десятилетия появилось множество методов изучения биологических молекул — электронная и атомно-силовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, плазмонный резонанс и многие другие. Однако большинство из них имеют один существенный недостаток — изучаемый биологический образец приходится «убивать» или существенно модифицировать. В связи с этим всё большую популярность приобретают «мягкие» методы исследования, которые позволяют наблюдать образец прижизненно, то есть непосредственно в клетках или даже организмах, или по крайней мере в «привычном» молекулярном окружении.
Для характеристики «силы» связывания малой молекулы (лиганда) со своим рецептором в биохимии используют понятие константы диссоциации (Kd). Чем меньше эта константа, тем сильнее связывание; в биологии константы <10−9 М (1 наномоль на 1 л) соответствуют очень «сильному» и избирательному связыванию.
Новая технология основана на интересном физическом эффекте: изменении коэффициента преломления жидкости, содержащей взаимодействующие биомолекулы. Лазерный луч, направленный на экспериментальную микроячейку, отражаясь и рассеиваясь от неё, интерферирует сам с собой, что и регистрирует цифровая камера. При взаимодействии молекул, содержащихся в жидкости, интерференционная картина будет меняться в зависимости от изменённого показателя преломления среды. На основе анализа полученных картин интерференции вычисляется изменение фазы лазерного луча, по которому можно рассчитывать константу взаимодействия Kd. Метод получил название интерферометрии обратного рассеяния.
Сначала разработанную методику протестировали на синтетических биологических мембранах — липидных везикулах, содержавших моносиалоганглиозид GM1. Эта молекула участвует в развитии нервной ткани и одновременно играет роль троянского коня. Она является главной мишенью токсина холерного вибриона, который проникает в клетку, связавшись с ней. Проведя измерения при нескольких концентрациях холерного токсина, исследователи получили простую и очень характерную для биохимии кривую, из которой легко вычисляется Kd≈130 пМ. Данное значение, хоть и близко к измеренным ранее другими методами, несколько от них отличается. Исследователи объясняют это более естественным состоянием мембраны в используемых в эксперименте везикулах, нежели в средах, применяемых в других экспериментальных методиках.
Эксперимент продолжили с тремя мембранными рецепторами: гидролазой амидов жирных кислот, участвующей в работе нейронов (она же — мишень некоторых новых анальгетических лекарств), хемокиновым рецептором CXCR4, участвующим в развитии рака груди, и нейтротрансмиттером — γ-аминомасляной кислотой GABAB, известным тем, что его очень сложно выделить и очистить, а следовательно, и работать с ним.
Во всех трёх случаях методика позволила определить «силу» взаимодействия (константы связывания) рецепторов с лигандами в естественных мембранах, что, как отмечают учёные, не позволяет сделать ни один другой метод, не прибегая к мечению образцов или их фиксации на твёрдой подложке — операциям, способным изменить функциональное состояние белковых молекул.
Учёные университета Вандербильта уже запатентовали метод интерферометрии обратного рассеяния и готовятся выпустить коммерческий прибор, действующий на этом принципе. Если методика и в реальной лабораторной практике окажется надёжной, точной и не капризной, ей можно предсказать большое будущее как в фундаментальных биологических исследованиях, так и в таких промышленных применениях, как фармакология и дизайн новых лекарственных субстанций.
