13 мая 2024
Камчатские бактерии помогут разработать новые методы диагностики возрастных заболеваний
Молодые ученые Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» создают генетически кодируемый биосенсор витамина В12 для повышения эффективности сенесенс-зависимых стратегий лечения онкологических и возрастных заболеваний. Камчатские бактерии, чей белок адаптировался к экстремальным температурам горячих источников, помогут выявить стареющие клетки организма. Исследование молодых ученых поддержано Российским научным фондом.
У пожилых людей довольно часто в крови наблюдается дефицит витамина В12. Его нехватка повышает риск появления возрастных заболеваний или нарушений психики. Дело в том, что витамин В12 напрямую связан с процессами метилирования ДНК. Все клетки организма содержат одинаковую ДНК, но предназначение у них разное: клетки крови, нейроны, кожи и т. п. При этом для их развития в конкретном направлении или поддержания в определенном виде организм использует механизмы, не закодированные напрямую в ДНК. Один из таких механизмов — метилирование ДНК — небольшая модификация одной из «букв» — присоединение метильной группы (-СН3) к цитозину, которая значительно изменяет его химическую структуру. В результате некоторые гены перестают работать, а другие, наоборот, начинают. При старении клеток происходит глобальная перестройка ландшафта метилирования ДНК, что влечет за собой изменение работы стареющих клеток — в частности, уменьшение скорости появления новых (из стволовых) и увеличение числа старых. Это часто приводит к патологическим состояниям и в итоге к различным возрастным заболеваниям.
Витамин В12 участвует в производстве важнейшего компонента для метилирования ДНК. И концентрация витамина может стать определенным маркером при диагностике болезни. Но в данный момент нет простых и эффективных способов измерить его число в клетках — только в крови. Однако отсутствие дефицита витамина В12 в крови не гарантирует, что он есть в достаточном количестве непосредственно внутри клеток. Проект Университета «Сириус» призван решить эту проблему и поможет разработать новый метод диагностики возрастных заболеваний. Команда Научного центра трансляционной медицины создает неинвазивный молекулярный инструмент для количественного измерения витамина В12 в клетках. Возглавляет исследование старший научный сотрудник направления «Биотехнологии» Никита Кульдюшев. Бакалавр и магистр МФТИ, Ph.D Йенского университета им. Фридриха Шиллера (Германия), молодой человек с первого курса мечтал стать ученым. Во время обучения работал в группе молекулярных инструментов для нейробиологии Института биоорганической химии РАН. В аспирантуре был научным сотрудником Центра молекулярной биомедицины университетской больницы Йены, затем Мюнхенского центра им. Гельмгольца по исследованию окружающей среды и здоровья (Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt) в Институте биологического и медицинского имиджинга, в лаборатории клеточной инженерии. Все это время его основным направлением исследований был как раз белковый инжиниринг — это создание или изменение белков под заданную функцию. Чтобы получить новый молекулярный инструмент для неразрушительного измерения внутриклеточного витамина В12 в динамике, Никита предложил воспользоваться связывающим белком, который уже создан самой природой. Витамин В12 не синтезируется млекопитающими или растениями, только бактериями, причем не всеми. Те микробы, которые не синтезируют сами, импортируют витамин из окружающей среды при помощи В12-связывающего белка, находящегося в клеточной мембране бактерий. В него ученые интегрируют флуоресцентные белки. Так получившаяся конструкция будет способна флуоресцировать и связывать В12. Команда проекта модифицирует ее таким образом, чтобы при разной концентрации витамина излучение света отличалось по силе. Это поможет определять концентрации витамина.
«Такое вмешательство может разрушить либо витамин В12-связывающий белок, либо саму способность связывать. Чтобы избежать этого, мы используем как основу биосенсор бактерии, чьи белки привыкли к экстремальным условиям, — рассказывает Никита Кульдюшев. — Мы получили из Всероссийской коллекции микроорганизмов ряд микробов, живущих на территории РФ. Это представитель царства архей Thermogladius calderae, обитающий в наземном горячем источнике кальдеры вулкана Узон на Камчатке при температуре 85 градусов, бактерии Fervidicoccus fontis из близкого источника и Fervidobacterium riparium из горячего источника острова Кунашир Курильских островов, живущие при температуре 65–70 градусов».
Ученый поясняет, что экстремальная температура окружающей среды привела к чрезвычайной стабильности белков этих организмов — их температура плавления выше температуры кипения воды. А значит, они с большей вероятностью останутся функциональными после вставки флуоресцентных белков.
«Используя базы данных и известные последовательности геномов, мы получили последовательности ДНК, кодирующие белки, предположительно способные связывать витамин В12. Мы извлекли достаточное количество белка из Fervidobacterium riparium для исследований его свойств. Так как Fervidobacterium riparium обитает в экстремальных условиях с высокой температурой, отсутствием кислорода, мы получили этот белок, используя генно-инженерные методы и бактерии Escherichia coli», — продолжил исследователь.
Извлеченные белки из термофилов ранее никто не получал в лаборатории и не охарактеризовал. На данный момент команда проверяет данные белки и их способность связывать В12. В ближайшее время научная группа планирует получить первый прототип флуоресцентного молекулярного инструмента для измерения витамина В12 в клетках. На разных этапах исследования к работе привлекаются студенты аспирантуры (направление «Молекулярная биология») и магистратуры («Молекулярная медицина» и «Медицинская химия»).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-75-01141.