Введение
В молекулярной биологии и биотехнологии флуоресцентный ярлык, также известный как флуоресцентная метка или флуоресцентный зонд, – это молекула, химически присоединенная для облегчения обнаружения биомолекулы, такой как белок, антитело или аминокислота. Обычно для флуоресцентной маркировки используется реакционноспособное производное флуоресцентной молекулы, известное как флуорофор. Флуорофор избирательно связывается с определенным участком или функциональной группой на целевой молекуле и может быть присоединен химическим или биологическим способом.
История
Разработка методов обнаружения и идентификации биомолекул была обусловлена возможностью улучшить изучение молекулярной структуры и взаимодействий. До появления флуоресцентной маркировки для обнаружения и идентификации молекулярных соединений использовались радиоизотопы. С тех пор были разработаны более безопасные методы, включающие использование флуоресцентных красителей или флуоресцентных белков в качестве меток или зондов для маркировки и идентификации биомолекул. Хотя применение флуоресцентной маркировки в этом контексте относительно недавнее, само явление флуоресценции было открыто гораздо раньше. Сэр Джордж Стоукс сформулировал закон флуоресценции Стоукса в 1852 году, согласно которому длина волны флуоресцентного излучения больше длины волны возбуждающего излучения. Ричард Мейер в 1897 году ввел термин «флюорофор» для обозначения химической группы, связанной с флуоресценцией. С тех пор флуоресцеин был синтезирован Адольфом фон Бейером в 1871 году как флуоресцентный краситель, а метод окрашивания был разработан и использован с развитием флуоресцентной микроскопии в 1911 году. Бромэтидий и его производные были разработаны в 1950-х годах, зеленый флуоресцентный белок (GFP) был открыт Осаму Шимомурой в 1960-х годах и модифицирован Дугласом Прашером в 1987 году для использования в качестве трассерной молекулы. Флуоресцентные белки (ФП) привели к прорыву в визуализации живых клеток, предоставив возможность избирательно маркировать участки генетических белков и наблюдать функции и механизмы белков. Разработаны новые методы отслеживания биомолекул, включая использование колориметрических биосенсоров, фотохромных соединений, биоматериалов и электрохимических датчиков. Флуоресцентная маркировка также остается распространенным методом, область применения которого расширилась до ферментативной, химической, белковой и генетической маркировки.
Методы отслеживания биомолекул
В настоящее время существует несколько методов маркировки для отслеживания биомолекул. Вот некоторые из них.
Маркеры изотопов
Обычные виды, для которых используются изотопные маркеры, включают белки. В этом случае аминокислоты, содержащие стабильные изотопы углерода, азота или водорода, включаются в полипептидные цепи. Затем эти полипептиды подвергаются масс-спектрометрии. Благодаря точному изменению массы, которое эти изотопы вносят в пептиды, можно по масс-спектрометрическому графику определить, какие пептиды содержали изотопы. Это позволяет выделить белок, представляющий интерес, из группы других белков. Изотопные соединения также играют важную роль в качестве фотохромов, о которых будет рассказано ниже.
Колориметрические биосенсоры
Биосенсоры присоединяются к интересующему веществу. Обычно это вещество не способно поглощать свет, но с присоединенным биосенсором свет может поглощаться и излучаться при использовании спектрофотометра. Кроме того, флуоресцентные биосенсоры можно увидеть невооруженным глазом. Некоторые флуоресцентные биосенсоры также способны изменять цвет в зависимости от окружающей среды (например, с синего на красный). Исследователь может анализировать и получать данные об окружающей среде, основываясь на видимом изменении цвета биосенсорного молекулярного гибрида. Колориметрические анализы обычно используются для определения относительной концентрации различных веществ. Наиболее распространенной органической молекулой, используемой в качестве фотохрома, является диарилетен. Другие примеры фотопереключаемых белков включают PADRON C, rs FastLIME s и bs DRONPA s, которые могут применяться как в растительных, так и в клетках млекопитающих для наблюдения за перемещением клеток в различные среды.
Электрохимические датчики
Электрохимические датчики могут использоваться для бесконтакного (label-free) определения биомолекул. Они обнаруживают изменения и измеряют ток между исследуемым металлическим электродом и электролитом, содержащим целевой аналит. К электроду затем прикладывается известный потенциал, формируемый обратной связью по току, и измеряется результирующий ток. Например, одним из методов, использующих электрохимическое зондирование, является медленное повышение напряжения, вызывающее окисление или восстановление химических видов на электроде. Строится график зависимости тока ячейки от напряжения, что позволяет в конечном итоге определить количество химических видов, потребленных или образованных на электроде. Флуоресцентные метки могут использоваться совместно с электрохимическими датчиками для облегчения обнаружения в биологической системе.
Флуоресцентные этикетки
Из различных методов маркировки биомолекул флуоресцентные метки обладают преимуществами, такими как высокая чувствительность даже при низкой концентрации и не оказывают разрушающего воздействия на структуру и функцию целевой молекулы. Синтетические флуоресцентные зонды также могут использоваться в качестве флуоресцентных меток. Эти метки отличаются меньшим размером и большим разнообразием цветов. Они позволяют более селективно метить интересующие белки различными способами, включая маркировку на основе химического распознавания, например, с использованием пептидных меток, хелатирующих металлы, и маркировку на основе биологического распознавания с применением ферментативных реакций. Однако, несмотря на широкий спектр длин волн возбуждения и излучения, а также повышенную стабильность, синтетические зонды, как правило, токсичны для клеток и поэтому редко используются в исследованиях клеточной визуализации.
Фтористые этикетки
Флуороген – это лиганд (флуорогенный лиганд), который сам по себе не флуоресцирует, но становится флуоресцентным при связывании с определенной белковой или РНК-структурой. Например, FAST – это вариант фотоактивного желтого белка, сконструированный для связывания с химическими имитаторами трипептидного хромофора GFP. Аналогично, аптамер шпината – это искусственно созданная последовательность РНК, способная связывать химические имитаторы хромофоров GFP, тем самым придавая условную и обратимую флуоресценцию молекулам РНК, содержащим эту последовательность.
Использование меток в флуоресцентной маркировке
Флуоресцентная маркировка известна своей неразрушающей природой и высокой чувствительностью. Это сделало её одним из наиболее широко используемых методов для маркировки и отслеживания биомолекул. После транскрипции образуется гибридная РНК, меченная флуоресцентным красителем. Объект интереса присоединяется к ферменту, который способен распознавать эту гибридную РНК. Обычно в качестве флюорофора используется флуоресцеин.
Химическая маркировка
Химическая маркировка или использование химических меток основано на взаимодействии между небольшой молекулой и специфической генетической последовательностью аминокислот. Химическая маркировка иногда используется как альтернатива GFP. Синтетические белки, функционирующие как флуоресцентные зонды, меньше GFP и, следовательно, могут использоваться в более широком спектре ситуаций. Более того, они предлагают более широкий диапазон цветов и фотохимических свойств. Благодаря недавним достижениям в области химической маркировки, химические метки часто предпочтительнее флуоресцентных белков из-за архитектурных и размерных ограничений, присущих β-баррелю флуоресцентных белков. Модификации флуоресцентных белков могут приводить к потере флуоресцентных свойств.
Образные изображения клеток
Химические метки были адаптированы для технологий визуализации в большей степени, чем флуоресцентные белки, поскольку химические метки позволяют локализовать фотосенсибилизаторы ближе к целевым белкам. Затем белки могут быть помечены и обнаружены с помощью визуализации, такой как сверхразрешающая микроскопия, визуализация Ca2+, измерение pH, обнаружение перекиси водорода, инактивация с помощью хромофоров и многофотонная микроскопия. Исследования in vivo на живых животных с использованием мономерного белка, полученного из бактериальной галоалкановой дегалогеназы, известной как Halo tag, были проведены впервые. Halo tag ковалентно связывается со своим лигандом и обеспечивает лучшую экспрессию растворимых белков. Кроме того, вопросы, связанные с радиацией и правильным обращением, больше не вызывают опасений. С развитием флуоресцентной маркировки флуоресцентная микроскопия позволила визуализировать специфические белки как в фиксированных, так и в живых клетках. Локализация специфических белков привела к важным концепциям в клеточной биологии, таким как функции различных групп белков в клеточных мембранах и органеллах. При визуализации живых клеток флуоресцентные метки позволяют отслеживать перемещение белков и их взаимодействия. Новейшие достижения в методах, использующих флуоресцентные метки, позволили визуализировать мРНК и ее локализацию в различных организмах. Визуализация РНК в живых клетках может быть достигнута путем введения синтезированной РНК, химически конъюгированной с флуоресцентной меткой, в живые клетки с помощью микроинъекции. Эта техника была использована для демонстрации того, как мРНК оскара в эмбрионе дрозофилы локализуется в задней части ооцита.