Каждый день в нашем организме на клеточном уровне происходят миллионы биологических процессов. Изучение этих процессов может помочь нам узнать больше о том, как функционируют клетки, - область, которая продолжает интриговать исследователей. Однако недавно в этой области появился новый игрок. Новый аналитический метод - обнаружение одной молекулы - набрал обороты благодаря своему успеху в наблюдении за специфическими, биологически значимыми молекулами и процессами, связанными с ними.

Ученые испробовали способы использования методов обнаружения одной молекулы для изучения белков и их посттрансляционных модификаций (PTM). PTM - это ферментативные изменения, наблюдаемые после синтеза белка, при которых функциональные группы добавляются к аминокислотам в белке, позволяя ему выполнять определенную функцию. Изучение PTMs может помочь нам понять клеточную сигнализацию и происхождение нескольких заболеваний. Однако анализы, направленные на это, должны быть высокоселективными и специфичными для этого белка. Учитывая недостаточную чувствительность современных методов, получение измерений PTM для одной молекулы является сложной задачей.

Недавно исследователи из Токийского технологического института (Tokyo Tech) нашли "электризующий" способ преодолеть эти ограничения. В их недавнем прорыве, опубликованном в Журнал Американского химического общества Команда ученых во главе с доцентом Томоаки Нишино из Токийского технологического института сообщила об обнаружении фосфорилирования в пептидах - коротких аминокислотных цепях - с помощью одной молекулы и образовании ортофосфатного соединения с помощью электронных подписей. Доктор Нишино объясняет: "Мы выбрали фосфорилирование пептидов, архетипичный и биологически значимый PTM, для наших исследований по обнаружению. Цель состояла в том, чтобы разработать инструмент, который мог бы обнаруживать даже малейшие изменения в химической структуре аминокислот".

Для начала команда изучила электронные свойства фосфорилированных пептидов, используя их неорганический аналог, ортофосфорную кислоту (H₃ПОСЛЕ₄). Они приготовили фосфатный раствор (ПО₄^3-) и подвергли его сканирующему туннельному микроскопу (STM) с помощью метода разрывного соединения (BJ). Когда ток пропускали между двумя золотыми электродами STM, было обнаружено, что ортофосфатная группа образует мостиковую нанозазорку между электродами, образуя устойчивое соединение за счет взаимодействия ее отрицательно заряженных атомов кислорода с золотом. Именно это соединение и его сигнатура послужили толчком к дальнейшим экспериментам.

Было обнаружено, что одноортофосфатный переход обладает высокой проводимостью 0,4 Г₀ и отличительными электронными свойствами, последнее из которых позволило этой процедуре быть высокоспецифичной и точно определять рассматриваемый PTM (т.е. фосфорилирование). Чтобы еще больше проверить свою технику, команда провела на месте одномолекулярные анализы фосфорилирования, где они были способны различать фосфорилированные и нефосфорилированные пептиды с 95% точностью и 91% специфичностью.

Метод, продемонстрированный в этом исследовании, открывает неожиданный взгляд на мир PTMs в белках. Этот новый метод также откроет новые возможности для использования одномолекулярного обнаружения PTMS в клинической диагностике и фармацевтических приложениях. "Существует тесная связь между фосфорилированием белка и патогенезом широкого спектра заболеваний. Наш метод позволит ученым разобраться в том, как фосфорилирование регулирует клеточные события, которые приводят к возникновению заболевания, и тем самым поможет в разработке методов лечения", - заключает доктор Нишино.