В новой работе, опубликованной в Nature, ученые предложили новый класс генетически кодируемых квантовых сенсоров на основе магниточувствительных флуоресцентных белков (MagLOV).
Они способны регистрировать электронный парамагнитный резонанс в живых клетках при комнатной температуре.Это открывает путь к созданию принципиально новых инструментов для биологии и медицины.
Квантовые сенсоры (устройства, работа которых основана на квантово-механических свойствах электронных или ядерных спинов) для биологических применений ранее работали только в очищенных белках в пробирке. Известны и природные белки (например, криптохромы), чувствительные к магнитному полю, но их сигналы были слабыми, нестабильными и плохо поддавались инженерной оптимизации, что делало их непрактичными для широкого применения. Не было доступных систем, которые сочетали бы высокую магниточувствительность, возможность «воспроизводства» прямо внутри живых организмов и потенциал для направленной эволюции белка (то есть чтобы можно было его еще и редактировать, как нужно).
Международному коллективу ученых удалось провести направленную эволюцию белка на основе LOV2-домена и создать семейство магниточувствительных флуоресцентных белков MagLOV. Чтобы последовательно улучшать свойства белков, запускали направленные мутации и проводили скрининг на обычном флуоресцентном микроскопе. В результате авторы создали вариант MagLOV2 с рекордной величиной магнитного эффекта:флуоресценция меняется на половину при включении магнитного поля. А вариант MagLOV2 fast еще и откликается быстрее.
Разные варианты MagLOV обладают уникальным откликом на магнитное поле. С помощью машинного обучения можно классифицировать смешанные популяции клеток, экспрессирующих разные белки, по форме их сигнала, а не только по цвету свечения, что расширяет палитру флуоресцентных меток. Даже клетки со слабой экспрессией MagLOV можно надежно отличить от клеток, экспрессирующих обычный зеленый флуоресцентный белок.
Авторы также продемонстрировали принцип магнитно-резонансной томографии (МРТ) с флуоресцентным считыванием: стало возможно определить глубину залегания образцов бактерий в объеме ткани. Кроме того, MagLOV сработал как сенсор микроокружения: его магнитный эффект ослабевал в присутствии парамагнитных ионов гадолиния (компонента МРТ-контраста), что свидетельствует о его чувствительности к определенному типу релаксации (сигнала при МРТ).
Преимущества новой белковой системы – генетическая кодируемость, возможность экспрессии и тонкой настройки через направленную эволюцию – открывают возможности для встраивания квантовых сенсоров в живые системы. Авторы замечают, что в перспективе можно будет с помощью них определять свободные радикалы или парамагнитные металлопротеины в клетке, визуализировать глубокие ткани, нечувствительные к рассеянию света, а также создавать системы маркировки клеток.
Текст: Юлия Баимова