Современная биотехнология получила в свое распоряжение инструмент, позволяющий буквально «общаться» с клетками на языке магнитных сигналов. История этого открытия началась с наблюдения, что обычный зеленый флуоресцентный белок (GFP) слегка тускнеет в магнитном поле.
Создан флуоресцентный белок, которым можно управлять с помощью магнита
Ученые из Оксфордского университета совместно с коллегами из США создали уникальные флуоресцентные белки, яркостью которых можно дистанционно управлять с помощью магнитных полей. Исследователям удалось значительно усилить природную чувствительность молекул, превратив их в эффективные биосенсоры, способные работать внутри живых организмов.
Зеленый флуоресцентный белок — основной инструмент для визуализации живых клеток. Sam Yeh/AFP via Getty
Когда свет падает на белок MagLOV, электроны переходят в возбужденное состояние, образуя пары с определенным спином (направлением «трехмерного вращения»). Магнитное поле меняет скорость перехода между этими квантовыми состояниями, направляя энергию либо на излучение света, либо на неизлучающий переход. Это позволяет управлять биологическим процессом на уровне субатомных частиц. Это всегда считалось невозможным в теплой и влажной среде живой клетки.
Несмотря на то что эффект составлял всего один процент, физик Эндрю Йорк и биохимик Мария Ингарамо увидели в этом огромный потенциал. Методом направленной эволюции был создан новый белок MagLOV, яркость которого при воздействии магнита снижается наполовину. Работа опубликована в журнале Nature.
Зеленый флуоресцентный белок
Генетически закодированная природа этого белка позволяет встраивать его в любые ткани, а способность магнитных полей беспрепятственно проникать сквозь тело делает его идеальным маркером для глубокого сканирования организма. «Мы хотим создать набор инструментов из белков, функциями которых можно управлять дистанционно с помощью магнитов», — отмечает соавтор работы Эндрю Йорк.
Эксперименты на бактериях кишечной палочки и червях-нематодах подтвердили, что сочетание магнитных полей и радиоволн позволяет не только менять свечение, но и точно определять местоположение конкретных клеток в объеме непрозрачного материала.
Квантовая терапия будущего
Белок MagLOV 2. Спин-переходы, вызванные радиочастотными (RF) полями в присутствии статического магнитного поля, оптически регистрируются с помощью измерений флуоресценции. LED — светодиод.
Причина столь необычного поведения белка кроется в области квантовой механики, а именно в изменении свойств электронных пар под внешним воздействием. Это открытие означает целое новое направление в синтетической биологии, где белки могут выступать не только пассивными датчиками, но и активными исполнительными механизмами.
На основе этой технологии уже разрабатываются так называемые «магнитные тела» — антитела, сила связывания которых с мишенью регулируется внешним магнитом. В перспективе это позволит создавать лекарства, которые активируются строго в нужное время и в нужном месте, минимизируя побочные эффекты для остального организма. Квантовые эффекты в биологических макромолекулах могут стать фундаментом для медицины нового поколения, где контроль над биохимическими процессами осуществляется без прямого физического контакта.