Биоинженеры разработали искусственные метки NovoTags для отслеживания молекул внутри живых клеток

Группа ученых из лаборатории Baker Института дизайна белков, кампуса Janelia и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) представила NovoTags — принципиально новый класс синтетических флуоресцентных меток. Этот инструмент позволяет с высокой точностью идентифицировать и визуализировать конкретные белки в составе человеческих клеток, открывая широкие перспективы для передовой микроскопии, включая методы сверхвысокого разрешения. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном издании Science.

Хотя современные технологии визуализации позволяют детально рассматривать структуры клеток, точная локализация отдельных молекул в условиях сложной клеточной среды остается непростой задачей. Ученые сравнивают клетку с гигантским мегаполисом, где миллионы молекулярных «жителей» пребывают в непрерывном движении, что превращает поиск конкретных белков в одну из сложнейших проблем современной клеточной биологии.

Система NovoTags представляет собой компактные искусственно спроектированные белки, которые интегрируются в целевые белковые молекулы методами генной инженерии. Взаимодействуя со специализированными красителями Janelia Fluor (JF), эти метки делают исследуемые белки отчетливо видимыми при микроскопическом анализе. Данная разработка значительно превосходит существующие аналоги, такие как HaloTag и SNAP-tag, предоставляя более гибкие возможности для многоканальной (мультицветной) визуализации.

Первая серия NovoTags была спроектирована для работы с тремя красителями, охватывающими различные участки видимого спектра. Исследователи доказали, что такие метки позволяют изменять оптические параметры красителей, предоставляя возможность тонкой настройки характеристик флуоресценции на этапе молекулярного проектирования.

Дальнейшим развитием технологии стала система NovoSplit. В этом варианте белковая метка разделяется на два фрагмента, каждый из которых прикрепляется к своему белку. Внесение красителя JF выступает своего рода «молекулярным выключателем», который вынуждает фрагменты соединиться. Это дает ученым уникальный контроль над наблюдением за межбелковыми взаимодействиями в режиме реального времени.

Эффективность NovoTags и NovoSplit была подтверждена на человеческих клетках методами STED-микроскопии и FLIM. Используя сочетание спектральных характеристик и времени затухания флуоресценции, исследователи могут потенциально отслеживать до 30 типов белков одновременно.

Авторы также исследуют потенциал NovoSplit в рамках крио-корреляционной световой и электронной микроскопии (cryo-CLEM). Интеграция оптических и электронных данных позволяет детально рассмотреть не только расположение молекул, но и их ультраструктурную организацию. В EMBL уверены, что данный подход станет мощным инструментом для анализа крупных молекулярных ансамблей внутри клетки.

Реализация проекта стала возможной благодаря симбиозу передовых ИИ-моделей и лабораторной проверки. В работе применялись алгоритмы RFdiffusion для генерации структур, LigandMPNN для дизайна аминокислотных последовательностей, а также инструменты AlphaFold и RoseTTAFold для валидации данных.

Разработчики подчеркивают, что NovoTags существенно обогащают арсенал клеточной биологии, позволяя с беспрецедентной точностью изучать процессы внутри живых систем. Информация о последовательностях меток и протоколы работы с ними уже переданы в открытый доступ для нужд мирового научного сообщества.

Источник: iXBT