Кіріспе
Молекулалық биология мен биотехнологияда флуоресценттік тег, сондай-ақ флуоресценттік белгі немесе флуоресценттік зонд деп те аталады, – бұл ақуыз, антидене немесе аминқышқылы сияқты биомолекуланың анықталуына көмектесу үшін химиялық түрде қосылатын молекула. Әдетте, флуоресценттік таңбалау, немесе белгілеу флюорофор деп аталатын флуоресценттік молекуланың реакцияға қабілетті туындысын пайдаланады. Флюорофор нысана молекуланың нақты аймағына немесе функционалдық тобына таңдаулы түрде байланысып, химиялық немесе биологиялық жолмен бекітілуі мүмкін.
Тарих
Биомолекулаларды анықтау және сәйкестендіру әдістерін дамыту молекулалық құрылым мен өзара әрекеттесуді зерттеуді жақсарту қабілетімен шақырылды. Флуоресценттік таңбалау пайда болғанға дейін радиоизотоптар молекулалық қосылыстарды анықтау және сәйкестендіру үшін қолданылды. Содан бері, флуоресценттік бояуларды немесе флуоресценттік ақуыздарды биомолекулаларды таңбалау және сәйкестендіру үшін маркерлер немесе зондтар ретінде пайдалануды қамтитын қауіпсіз әдістер әзірленді. Флуоресценттік таңбалау осы ретте жақында ғана қолданылса да, флуоресценцияның ашылуы одан әлдеқайда бұрын болған. Сэр Джордж Стокс 1852 жылы Флуоресценция заңын жасады, онда флуоресценция сәулеленуінің толқын ұзындығы қоздырғыш сәулеленуден ұзын болады делінген. Ричард Мейер 1897 жылы флуорофор терминін флуоресценциямен байланысты химиялық топты сипаттау үшін енгізді. Содан бері, 1871 жылы Адольф фон Бейер флуоресцеин флуоресценттік бояуын жасады және 1911 жылы флуоресценттік микроскопияның дамуымен бірге бояу әдісі әзірленді және қолданылды. Этидий бромиді мен оның түрлері 1950 жылдары, ал Жасыл флуоресценттік ақуыз (GFP) 1960 жылдары Осаму Шимомурамен ашылды және 1987 жылы Дуглас Прашер оны іздеуші молекула ретінде дамытты. ФП-лар генетикалық белок аймақтарын таңдап белгілеуге және белок функциялары мен механизмдерін бақылауға мүмкіндік бере отырып, тірі жасушаларды бейнелеуде маңызды табысқа жеткізді. Биомолекулаларды қадағалаудың жаңа әдістері, оның ішінде колориметриялық биосенсорлар, фотохромиялық қосылыстар, биоматериалдар және электрохимиялық сенсорлар әзірленді. Флуоресценттік таңбалау ферменттік таңбалау, химиялық таңбалау, белок таңбалау және генетикалық таңбалау сияқты қолданылу аясын кеңейткен кең таралған әдіс болып табылады.
Биомолекулаларды бақылау әдістері
Қазіргі уақытта биомолекулаларды қадағалау үшін бірнеше таңбалау әдістері қолданылады. Олардың кейбіреулері төменде келтірілген.
Изотоптық маркерлер
Изотоптық маркерлер жиі қолданылатын нысандардың бірі – ақуыздар. Мұндай жағдайда, көміртектің, азоттың немесе сутегінің тұрақты изотоптарымен белгіленген аминқышқылдары полипептидтік тізбекке енгізіледі. Содан кейін бұл полипептидтер массалық спектрометриядан өтеді. Осы изотоптардың пептидтерге енгізген нақты өзгерісінің арқасында, спектрометриялық график бойынша қай пептидтерде изотоптар бар екенін анықтауға болады. Осы арқылы, топтағы басқа ақуыздардан қажетті ақуызды бөліп алуға мүмкіндік туады. Изотоптық қосылыстар фотохромдар ретінде де маңызды рөл атқарады, олар туралы төменде сипатталады.
Колориметриялық биосенсорлар
Биосенсорлар қызығушылық тудыратын заттарға бекітіледі. Әдетте, бұл зат жарықты сіңіре алмайды, бірақ биосенсордың қосылуымен спектрофотометрде жарық сіңіріліп, сәулеленуі мүмкін. Сонымен қатар, флуоресцентті биосенсорларды қанаумен көруге болады. Кейбір флуоресцентті биосенсорлар өзгеріп отыратын ортада түсін өзгерте алады (мысалы, көктен қызылға). Зерттеуші биосенсор молекуласының гибридті түрінен көрінетін түске сүйене отырып, айналағы ортаны қарастырып, мәлімет ала алады. Колориметриялық әдістер әдетте бір түрдің концентрациясын екіншісіне қатысты анықтау үшін қолданылады. Фотохром ретінде ең көп қолданылатын органикалық молекула – диарилетен. Фотоауысуға қабілетті ақуыздардың басқа мысалдары: PADRON C, rs FastLIME s және bs DRONPA s, оларды өсімдіктер мен сүтқоректілер жасушаларында жасушалардың әртүрлі ортаға өтуін бақылау үшін пайдалануға болады.
Электрохимиялық сенсорлар
Электрохимиялық сенсорлар биомолекулаларды белгісіз анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Олар зерттелетін металл электрод пен мақсатты аналиттері бар электролит арасындағы өзгерістерді анықтап, токты өлшейді. Электродқа белгілі бір потенциал кері байланыс тогы арқылы беріледі және нәтижесіндегі ток өлшенеді. Мысалы, электрохимиялық сезімді пайдаланудың бір тәсілі электродтағы химиялық түрлерді тотықтыру немесе тотықсыздандыру үшін кернеуді біртіндеп көтеруді қамтиды. Электродтың тогы мен кернеуінің графигі салынады, бұл электродта өндірілген немесе тұтынылған химиялық түрлердің мөлшерін анықтауға мүмкіндік береді. Биологиялық жүйеде анықтауды жеңілдету үшін флуоресценттік маркерлер электрохимиялық сенсорлармен бірге қолданылуы мүмкін.
Флуоресцентті этикеткалар
Биомолекулаларды таңбалаудың әртүрлі әдістерінің ішінде флуоресценттік таңбалар артықшылықты, себебі олар төмен концентрацияда да жоғары сезімталдыққа ие және нысана молекуланың құрылымын және функциясын бұзбайды. Синтетикалық флуоресценттік зондтар да флуоресценттік таңбалар ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл таңбалардың артықшылықтары – кішкентай мөлшері және түрлі-түрлі түс нұсқалары. Оларды әртүрлі әдістермен, соның ішінде химиялық тануға негізделген таңбалау (мысалы, металл байланыстыратын пептидтік таңбаларды пайдалану) және ферменттік реакцияларды қолдана отырып, биологиялық тануға негізделген таңбалау арқылы қызығушылық тудыратын белоктарды таңбалауға болады. Дегенмен, олардың кең спектрлі қозу және эмиссия толқындарының ұзындығына, сондай-ақ жақсы тұрақтылығына қарамастан, синтетикалық зондтар жасушаға уытты келеді, сондықтан олар көбінесе жасушалық бейнелеу зерттеулерінде қолданылмайды.
Флюорогендік белгілер
Флюороген – өзі флуоресцентті емес, бірақ белгілі бір белок немесе РНК құрылымымен байланысқанда флуоресцентті болатын лиганд (флюорогенді лиганд). Мысалы, FAST – GFP трипептидік хромофордың химиялық имитацияларын байланыстыруға арналған фотоактивті сары ақуыздың түрі. Сол сияқты, шпинат аптамері – GFP хромофор химиялық имитацияларын байланыстыра алатын, осылайша реттілігінде бұл тізбек бар РНК молекулаларына шартты және қайтымды флуоресценцияны сыйлайтын жасалған РНК тізбегі.
Флуоресценттік таңбалаудағы тегтерді қолдану
Флуоресценттік таңбалау бұзбас сипатымен және жоғары сезімталдығымен белгілі. Осының арқасында ол биомолекулаларды таңбалау және оларды қадағалау үшін ең көп қолданылатын әдістердің біріне айналды. Транскрипциядан кейін гибридтік РНК + флуоресцентті қосылыс пайда болады. Зерттелетін нысан гибридтік ДНК-ны танитын ферментке бекітіледі. Әдетте флуоресцеин флуорофор ретінде қолданылады.
Химиялық таңбалау
Химиялық таңбалау немесе химиялық маркерлерді қолдану, кішкентай молекула мен нақты генетикалық аминқышқылы тізбегінің өзара әрекеттесуін пайдаланады. Химиялық таңбалау кейде GFP-ге балама ретінде қолданылады. Флуоресценттік зондтар ретінде жұмыс істейтін синтетикалық ақуыздар GFP-ден кішірек болғандықтан, олар кең ауқымды жағдайларда зондтар ретінде қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, олар кеңірек түс спектрін және фотохимиялық қасиеттерді ұсынады. Химиялық таңбалаудағы соңғы жетістіктерге байланысты, флуоресценттік ақуыздардың ерекше β-цилиндрінің архитектуралық және мөлшерлік шектеулеріне байланысты химиялық маркерлер флуоресценттік ақуыздардан артықшылыққа ие. Флуоресценттік ақуыздарды өзгерту олардың флуоресценттік қасиеттерін жоғалтуына әкелуі мүмкін.
Жасушаларды бейнелеу
Химиялық таңбалар флуоресцентті ақуыздарға қарағанда бейнелеу технологияларына көбірек бейімделген, себебі химиялық таңбалар фотосезіктендіргіштерді нысаналы ақуыздарға жақын орналастыра алады. Ақуыздарды таңбалап, суреттеу арқылы анықтауға болады, мысалы, супер ажыратымды микроскопия, Ca2+ бейнелеу, pH сезіну, сутек пероксидін анықтау, хромофор көмегімен жарықпен инактивациялау және көп фотонды жарық микроскопиясы. Тірі жануарларда in vivo бейнелеу зерттеулері алғаш рет бактериялық галоалкан дегалогеназасынан алынған мономерлік ақуыз – Halo таңбасын қолдану арқылы жүргізілді. Halo таңбасы өзінің лигандысымен ковалентті байланысқа түседі және ерігіш ақуыздардың жақсырақ экспрессиялануына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, радиация және онымен дұрыс жұмыс істеу енді алаңдатушы мәселе емес. Флуоресценттік таңбалаудың дамуымен флуоресценттік микроскопия нақты ақуыздарды бекітілген және тірі жасушалардың суреттерінде көруге мүмкіндік берді. Нақты ақуыздардың орналасуы жасушалық биологияда маңызды түсініктерге әкелді, мысалы, жасушалық мембраналар мен органеллалардағы ақуыздардың ерекше топтарының функциялары. Тірі жасушаларды суреттеу кезінде флуоресценттік таңбалар ақуыздардың қозғалысын және олардың өзара әрекеттесуін бақылауға мүмкіндік береді. Флуоресценттік таңбаларды қолдану әдістерінің соңғы жетістіктері мРНК-ны және оның әртүрлі организмдердегі орналасуын визуализациялауға әкелді. РНК-ның тірі жасушалардағы бейнелеуі микроинъекция арқылы тірі жасушаларға химиялық түрде флуоресценттік таңбамен байланыстырылған синтезделген РНК енгізу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл әдіс Drosophila эмбрионындағы оскар мРНК-ның жұмыртқа клеткасының артқы бөлігіне қалай орналасатынын көрсету үшін қолданылды.