Біологи створили клас білкових біосенсорів, які світяться в присутності заданого патогена або маркера захворювання. За словами дослідників, модульність системи дозволяє досить швидко створювати біосенсори на нові молекули-мішені: для цього достатньо провести комп'ютерний аналіз і замінити один з доменів білка. Автори опублікованої в роботі випробували описаний ними сенсор на ботулотоксині, коронавірусі, маркері інфаркту міокарда та інших клінічно значущих мішенях.
Біосенсори на основі білків відіграють важливу роль у синтетичній біології. У фундаментальних дослідженнях білкові сенсори використовують для вивчення процесів, що протікають у клітинах, а в медицині з їх допомогою, наприклад, сподіваються передбачати ефективність терапії для пацієнтів з онкологічними захворюваннями. Подібні сенсори створюються на основі існуючих в природі білків. Для цього підбирається білковий домен, який може зв'язуватися з цільовою молекулою-мішенню, і з'єднується з репортерним доменом, який видає читуваний сигнал. Головний брак такого підходу - трудовитратність, тому що потрібно багато біоінженерних перетворень, щоб отримати ефективний біосенсор з цих двох доменів. Тому дослідники шукають універсальну платформу, на основі якої можна буде легко створювати біосенсори на білкові молекули різних патогенів або маркерів захворювань, просто замінюючи в ньому необхідні «деталі». Раціональний комп'ютерний дизайн білків, який активно розвивається в останні роки, дозволяє створювати білки з необхідними характеристиками.
Як біосенсор може служити білкова система, що володіє двома майже рівними енергетичними станами. І присутність молекули-мішені має регулювати, чи буде протікати реакція в бік видимої відповіді, наприклад світіння або зміни кольору.
Вчені виділяють три вимоги до потенційної сенсорної системи: зміна в системі повинна призводити до видимого результату; зміна в системі, яка призводить до видимого результату, не повинна залежати від молекули-мішені, щоб систему в цілому можна було використовувати для детекції різних речовин; і, нарешті, система повинна легко піддаватися налаштуванню, щоб можна було детектувати речовини з різними енергетичними характеристиками пов'язування з сенсором, і щоб можна було регулювати мінімальну детектовану концентрацію.
Дослідники з Вашингтонського університету під керівництвом Девіда Бейкера (David Baker) створили білкову систему, яка задовольняє цим вимогам. Компоненти системи біологи назвали досить просто: клітина і ключ. Обидві частини містять по шматочку люциферази, і тільки коли ключ приєднується до клітини, люцифераза стає цілою і запускає реакцію світіння. У складі клітини два домени: сама клітина і з'єднана з нею селище. Селище прикриває собою те місце, куди повинен приєднатися ключ. У присутності молекули-мішені савелка зв'язується з нею, звільняючи місце для ключа, і видане світіння говорить про те, що реакція пройшла успішно.
Система влаштована таким чином, що енергії пов'язування ключа з кліткою недостатньо, щоб перевершити енергетичні витрати відкриття клітини у відсутності мішені. Але в присутності мішені додаткова енергія зв'язування мішені з четвілкою змушує четвілку відкритися і призводить до світіння. Оскільки ключ і клітина завжди одні й ті ж самі, систему можна перебудовувати під різні мішені, просто змінюючи домен, що зв'язує її, в рясці. Функціонування системи залежить від термодинамічної рівноваги, тому задаючи необхідні енергії зв'язування в системі, можна регулювати мінімально детектовані концентрації речовин.
Працездатність системи перевірили на ботулотоксині - отруйній речовині, нейротоксині, який виробляється анаеробними бактеріями і часто стає причиною серйозних отруєнь консервами. Потрапляння ботулотоксину в організм з їжею викликає сильні порушення в роботі нервової системи і параліч скелетних м'язів. Моментальне визначення причини отруєння допомогло б швидше надати необхідну допомогу, а превентивне тестування їжі - запобігти подібним випадкам. Дослідники показали, що відповідь на присутність ботулотоксину Б видно вже через кілька хвилин. Схожим способом автори роботи визначили наявність в розчині білка HER2, підвищена експресія якого у людини вказує на розвиток певних типів раку молочної залози, і маркера інфаркту міокарда.
Вчені не пройшли повз і пандемію коронавірусу: вони показали можливість детекції антитіл до ковида і білка- «шипа» (spike protein) вірусу, який він використовує для проникнення в клітку. Також вдалося виявити і присутність вірусу гепатиту Б і антитіл до нього.
Автори роботи наголошують, що їх розробка має бути зручною у клінічному застосуванні: вся реакція проходить в одній пробірці, результат видно практично миттєво, і його можна точно оцінити за допомогою простої камери мобільного телефону. створені білки добре напрацьовуються клітинами, тому проблем з масовим виробництвом біосенсорів виникнути не повинно.
Вчені охоче шукають застосування новітніх біотехнологій для детекції захворювань. Наприклад, системи на основі технології CRISPR-Cas: система SHERLOCK точно виявляє навіть невеликі мутації, а ще один сенсор шукає коронавірус, також видаючи відповідь, яку можна вважати за допомогою камери смартфона.