Сотрудники Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова (ИБХ РАН) вместе с коллегами из других научных учреждений создали систему, которая позволяет изучать свойства единичных живых клеток в 30 тысяч раз производительнее роботизированных станций. Такие роботы сейчас «листают» большие библиотеки биологических объектов: белков, ферментов и даже живых клеток. Работают они, как правило, по заданиям фармацевтических компаний и ищут биомолекулы и клетки с заданными (или необычными) свойствами, которые потом можно использовать для создания новых, более эффективных лекарственных средств. Новая разработка ученых позволяет существенно экономить время и материальные затраты на такой поиск.
Фото: ZEISS Microscopy
Идея возникла три года назад, когда Станислав Терехов из лаборатории биокатализа ИБХ предложил разработать технологию, которая позволила бы быстро установить активность сотен миллионов новых ферментов, получаемых его коллегой Иваном Смирновым. Группа Смирнова занималась созданием и отбором биокатализаторов из комбинаторных библиотек ферментов, ускоряющих реакции, для которых природных ферментов не существует. Например, для инактивации фосфорорганических токсинов — нервнопаралитических газов, актуальных в связи с массовым распространением пестицидов и поиском антидотов для боевых отравляющих веществ. Прежде исследователям приходилось тратить годы на то, чтобы получить десятки нужных новых белков.
При помощи метода фотолитографии, который широко применяется в технологических компаниях для создания компьютерных чипов, исследователи из ИБХ РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского академического университета и НИИ общей патологии и патофизиологии создали микрофлюидные чипы с каналами толщиной меньше диаметра человеческого волоса для генерации эмульсионных капель. Капли двойной эмульсии «вода—масло—вода» изолировали отдельные клетки, позволяя изучать их уникальные свойства. Используя микрофлюидные чипы, Станислав Терехов с коллегами помещал индивидуальные живые клетки в капли, после чего ферментативная и биологическая активность клеток в каплях изучалась в МГУ им. М. В. Ломоносова при помощи флуоресцентно-активированного клеточного сортера. Флуоресценция капель помогала определить наиболее активные клетки. Затем отобранные в каплях клетки анализировали как классическими молекулярно-биологическими методами, так и современными методами.
«Мы получали примерно 108 капель в час и за день отбирали подходящие для нас ферменты с необходимой активностью,— рассказывает Станислав Терехов.— Например, нам удалось улучшить фермент бутирилхолинэстеразу, которая не только связывала фосфорорганический токсин, но и могла его гидролизовать, то есть уничтожить, и связаться со следующей молекулой токсина. Впоследствии мы инкапсулировали бактериальные клетки, чтобы проследить, какие микроорганизмы являются ингибиторами роста высокопатогенных бактерий золотистого стафилококка. Таким образом, наш метод скрининга походит для поиска новых лекарств, как на основе ферментов, так и на основе микроорганизмов, их метаболитов и других биологических объектов».
В исследовании также принимали участие ученые Казанского федерального университета, Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института, Французской академии фармакологии (French Academy of Pharmacy) и Йельского университета (Yale University). Результаты опубликованы в журнале PNAS.
Исследование было поддержано Министерством образования и науки РФ грантом RFMEFI60414X0069.
Юлия Шуляк