Светящиеся существа, такие как светлячки и медузы, завораживают своим видом, но также являются благом для науки, поскольку их биолюминесцентные молекулы помогают визуализировать множество биологических процессов. Теперь ученые в Японии перегрузили эти молекулы, сделав их в сотни раз ярче в глубоких тканях и позволив визуализировать клетки вне тела. Биоинженерный источник света использовался для отслеживания раковых клеток у мышей и активности клеток мозга у обезьян, но его применение выходит за рамки лаборатории.
Биолюминесценция является результатом партнерства: фермент, в данном случае люцифераза, полученная из светлячков, катализирует субстрат D-люциферин, создавая при этом зелено-желтое свечение. Было проведено значительное исследование, чтобы сделать этот процесс более эффективным. Например, замена люциферина на синтетические аналоги и повышение скорости катализа. Ацуши Мияваки и его коллеги пошли дальше, усовершенствовав оба ингредиента для создания AkaBLI, полностью биоинженерной биолюминесцентной системы для использования в естественных условиях. Сотрудничество с Университетом электросвязи, Токийским технологическим институтом и Киотским университетом возглавил Мияваки из Института исследований мозга RIKEN и опубликовал 23 февраля в журнале Science.
Основываясь на предыдущей работе, исследователи знали, что синтетический люциферин под названием AkaLumine-HCl способен проникать через гематоэнцефалический барьер и производить красноватый свет, который легче увидеть в тканях тела. Однако он был не очень совместим с природной люциферазой, поэтому они последовательно мутировали фермент, чтобы улучшить сопряжение с AkaLumine-HCl. Полученный белок Akaluc является более эффективным катализатором для субстрата и более обильно экспрессируется клетками. В мозге мышей эта комбинация Akaluc, катализирующая AkaLumine-HCl, получившая название AkaBLI, приводила к биолюминесцентному сигналу, в 1000 раз более сильному, чем сигнал естественной реакции люциферазы-люциферина. В других частях тела из легкого мыши были отчетливо видны только одна или две светящиеся клетки, что может быть полезно для наблюдения за трансплантированными клетками.
Биолюминесценция может быть введена легко и добровольно путем включения AkaBLI в питьевую воду животных, которая дает наиболее стойкое свечение, хотя введение молекул дает большую интенсивность. «Фундаментальное улучшение, однако, заключается в практической применимости для физиологических исследований in vivo», - говорит Мияваки. С помощью AkaBLI можно непосредственно наблюдать, как активность и структуры мозга меняются в зависимости от поведения с течением времени. В эксперименте, в котором мыши находились в знакомой и новой среде клетки, одни и те же нейроны в гиппокампе могли быть зарегистрированы в течение нескольких дней.«Это первый случай, когда такой небольшой ансамбль из нескольких десятков глубоких нейронов, связанных с определенным поведением в обучении, можно визуализировать неинвазивно», - говорит Мияваки. А у обезьяны-мартышки исследователи смогли более года отслеживать нейроны глубокого мозга с помощью AkaBLI. Потенциал такого рода стабильной и длительной биолюминесценции для понимания нейронных цепей во время естественного поведения, отмечает Мияваки, огромен.