Как измерить рН среды внутри живых клеток

Кислотность (рН) среды и её изменения играют важную роль во многих физиологических процессах, включая фолдинг (упаковку) протеинов; она также может служить надёжным индикатором развития онкологических заболеваний. Американские учёные создали неординарный рН-сенсор, способный отслеживать изменения рН среды внутри живых клеток в течение долгого времени и с недостижимым ранее разрешением. Всё это стало возможным благодаря комбинации флюоресцентных нанокристаллов и мобильных молекулярных кронштейнов–«рук», которые умеют складываться и развёртываться в зависимости от рН среды.

Биохимики из Массачусетского технологического института (США) обнаружили, что эндосомы — клеточные органеллы, отвечающие за транспортировку внутри клеток, — демонстрируют значительное снижение своего рН в процессе созревания. Это наблюдение стало возможным благодаря использованию нового наноскопического сенсора в паре с флюоресцентным микроскопом.

Секрет успеха заключается в применении, мягко говоря, нетрадиционного дизайна сенсора: мобильная молекулярная «рука» (кронштейн) соединяет флюоресцентный нанокристалл с флюоресцентным же красным красителем. Нанокристаллы представляют собой частицы полупроводящих материалов, которые с лёгкостью передают абсорбированную ими световую энергию светящимся красителям через флюоресцентный резонансный энергетический перенос (FRET), который заставляет краситель светиться, пока оба партнёра по FRET находятся достаточно близко друг к другу. Ну а расстояние между нанокристаллом и красителем контролируется посредством складывания и развёртывания молекулярной руки в составе нано-рН-сенсора; само же движение контролируется (или зависит) от рН среды.

«Рука» состоит из одного фрагмента двуспиральной и одного — односпиральной ДНК (онДНК). При повышении концентрации протонов образование трёхнитевой биомолекулы усиливается, и онДНК старается подстроиться под структуру двуспирального фрагмента, заставляя «руку» складываться. В силу природы использованных материалов это свёртывание происходит в пределах физиологически важного интервала рН (в районе 7) и является очень чувствительным даже к самым минимальным изменениям.

При более высоких значениях рН «рука» находится в развёрнутом состоянии, и FRET-партнёры слишком далеки друг от друга, чтобы энергетический перенос был возможен. При этом нанокристалл светится зелёным светом, в то время как краситель не флюоресцирует. При понижении рН молекулярная рука складывается так, что FRET-транспорт становится реальностью; происходит наблюдаемое падение интенсивности зелёного излучения нанокристалла, а также появление и постепенное усиление красной флюоресценции красителя. Конечное значение рН определяется путём измерения отношения интенсивностей красного и зелёного свечения.

Значение исследования, результаты которого опубликованы в журнале Angewandte Chemie, выходит далеко за рамки частного случая с «сенсором на протоны». Модульный дизайн нового «прибора», в котором настоящий «рН-тестер» (молекулярная «рука» из фрагментов ДНК) и оптико-сигнальное устройство (FRET-партнёры) представляют собой отдельные независимые компоненты, даёт возможность создания аналогичных систем простой заменой рН-тестера на молекулярную «руку», реагирующую на другой тип аналита.

Подготовлено по материалам Angewandte Chemie.