Учёные разработали новые белковые метки NovoTags для изучения клеточных процессов

Новая система обеспечивает более точное отслеживание белков, их взаимодействий и открывает новые возможности для многоканальной визуализации в клетках

Группа исследователей из Института дизайна белков Baker Lab, исследовательского центра Janelia и Европейской лаборатории молекулярной биологии EMBL Heidelberg создала новый класс искусственных флуоресцентных белковых меток под названием NovoTags, которые позволяют обнаруживать определённые белки в человеческих клетках и анализировать их взаимодействия с использованием современных методов микроскопии, включая сверхразрешающую. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Современные методы визуализации позволяют исследовать клетки с высокой степенью детализации, однако определить местоположение отдельных молекул внутри сложной клеточной структуры по-прежнему остается сложной задачей. Исследователи проводят аналогию между клеткой и мегаполисом, в котором миллионы «жителей-молекул» постоянно движутся, а выделение конкретных белков из этого потока представляет собой одну из основных задач клеточной биологии.

NovoTags представляют собой небольшие искусственно созданные белки, которые можно генетически прикреплять к изучаемым белкам. После этого они связываются с особыми флуоресцентными красителями Janelia Fluor (JF), что делает помеченные молекулы видимыми под микроскопом.

Разработанная система расширяет функциональность существующих технологий, таких как HaloTag и SNAP-tag, добавляя новые возможности для многоцветной визуализации.

Первая группа NovoTag-связывающих белков была разработана для взаимодействия с тремя флуоресцентными красителями, работающими в различных диапазонах видимого спектра. Исследователи продемонстрировали, что созданные белки способны влиять на оптические характеристики красителей, что позволяет управлять свойствами флуоресцентных меток на уровне молекулярного дизайна.

После этого учёные EMBL разработали расширение системы — NovoSplit. В этой версии белковая метка разделена на две части, каждая из которых присоединяется к отдельному белку в клетке. Добавление определённого красителя JF функционирует как «молекулярный переключатель»: оно заставляет две части NovoSplit объединяться и позволяет исследователям контролировать взаимодействие между белками в заданный момент времени.

Тестирование NovoTags и NovoSplit проводилось в человеческих клетках с использованием методов STED-микроскопии в реальном времени и флуоресцентной микроскопии FLIM. Сочетание информации о цвете свечения и времени, в течение которого сохраняется флуоресцентный сигнал, потенциально позволяет одновременно отслеживать до 30 различных белков, используя различные комбинации спектральных характеристик и времени флуоресценции.

Разработчики также рассматривают возможность применения NovoSplit в крио-корреляционной световой и электронной микроскопии (cryo-CLEM). Этот метод сочетает изображения одной и той же клетки, полученные с помощью оптической и электронной микроскопии в естественном состоянии, что позволяет одновременно видеть расположение молекул и их ультраструктуру. В EMBL считают, что флуоресцентные cryo-CLEM-метки на основе NovoSplit могут стать важным инструментом для анализа крупных молекулярных комплексов внутри клеток.

Создание NovoTags стало возможным благодаря специализированной модели искусственного интеллекта для проектирования белков и экспериментальным методам тестирования. Исследователи использовали алгоритмы RFdiffusion для генерации белковых структур, LigandMPNN для подбора аминокислотных последовательностей и затем проверяли кандидатов с помощью AlphaFold, RoseTTAFold и лабораторных методов анализа.

Авторы исследования подчеркивают, что новые метки могут значительно расширить инструментарий клеточной биологии, позволяя изучать белки непосредственно внутри живых клеток с повышенной точностью. Последовательности NovoTags и соответствующие красители уже доступны научному сообществу для дальнейших исследований и разработки новых методов визуализации.