Научные достижения химического факультета
30.06.2021

Химики МГУ, Уэльса и Флориды выяснили,
как белки получают возможность светиться

Сотрудники химического факультета МГУ в сотрудничестве с коллегами из университетов Уэльса и Флориды установили механизм реакций формирования хромофоров у флуоресцентных белков. Тем самым ученые получили возможность контролировать, как создаются инструменты исследования процессов в живых системах. Работа опубликована в журнале Chemical Science.

Флуоресцентные белки активно используются в биохимии, молекулярной биологии и медицине в качестве биомаркеров. Такие биомаркеры применяют in vitro ("в пробирке") или in vivo ("в живых клетках"), чтобы наблюдать за биохимическими процессами на молекулярном уровне. Если формирование хромофора при созревании белка прошло успешно, образовавшийся белок будет светиться при поглощении света определенной длины волны – флуоресцировать.

"Хотя флуоресцентные белки известны уже давно и широко применяются, детальный механизм образования хромофоров – до сих пор нерешенная задача, – рассказал один из авторов работы, профессор химического факультета МГУ, д.х.н. Александр Немухин. – Нам нужно понимать, в результате каких химических реакций в белках образуются хромофоры, чтобы прогнозировать направление синтеза новых биомаркеров".

Над задачей работали сотрудники научно-исследовательской лаборатории квантовой химии и молекулярного моделирования д.ф.-м.н. Белла Григоренко и к.ф.-м.н. Игорь Поляков под руководством заведующего лабораторией Александра Немухина в соавторстве с учеными из Университета Кардиффа (Уэльс) и выпускником химического факультета МГУ, профессором Университета Флориды (США) Игорем Алабугиным.

Научной группе из Уэльса удалось сделать очень серьезный шаг, рассказал профессор Немухин: они смогли закристаллизовать промежуточное состояние белка Venus до стадии окисления, то есть в состоянии, в котором хромофор еще не образовался полностью. Для этого химики заменили аминокислотный остаток тирозина, участвующий в формировании хромофорной группы, на модифицированную аминокислоту, содержащую азидную группу, с которой белок образуется, но не флуоресцирует. Подобный мутированный белок можно фотоактивировать: подействовать ультрафиолетовым излучением для инициирования фотореакции, продукт которой уже не только способен поглощать видимый свет, но и давать жёлтую флуоресценцию.

"Самый критичный момент – это именно стартовое положение образования хромофора, – рассказал Игорь Поляков. – Это та структура, которую удалось закристаллизовать. Но кристалл – лишь мгновенный снимок происходящего. Перед нами была поставлена задача интерпретировать эти снимки и объяснить все превращения".

Методами квантовой химии и молекулярного моделирования группам Александра Немухина и Игоря Алабугина удалось характеризовать все промежуточные соединения, образование которых было зафиксировано экспериментально. Авторы работы уверены, что полученные знания помогут создать улучшенные варианты флуоресцентных белков.

Ссылка на публикацию: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d0sc06693a#!divAbstract  

Автор фото: Александра Кучерова/пресс-служба химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова