Ученые из Утрехтского университета разработали инновационный флуоресцентный сенсор ДНК, способный в реальном времени отслеживать полный цикл повреждения и восстановления генетического кода непосредственно внутри живых клеток. Эта прорывная технология, подробно описанная в издании Nature Communications, открывает невиданные ранее возможности для исследований в онкологии, испытаниях безопасности лекарственных препаратов и изучении процессов старения.
Наш генетический материал – ДНК – постоянно подвергается агрессивному воздействию извне и изнутри. Солнечные лучи, химические вещества, радиация и даже обычные метаболические процессы организма могут наносить урон. Большая часть этих повреждений оперативно исправляется собственными системами клетки, однако сбои в механизмах репарации часто лежат в основе старения, развития онкологических заболеваний и ряда других серьезных расстройств.
На протяжении многих лет исследователи сталкивались с серьезными трудностями при попытках напрямую наблюдать за процессами восстановления ДНК. Традиционные методы требовали прерывания жизнедеятельности клеток и их фиксации в разные моменты времени, что давало лишь разрозненные «снимки», а не целостное и непрерывное представление о динамике событий.
Теперь, благодаря разработке команды Утрехтского университета, ситуация кардинально изменилась. Новый сенсор позволяет ученым наблюдать за появлением и исчезновением повреждений ДНК не только внутри живых клеток, но и в целых организмах. Это открывает путь к экспериментам, которые ранее были невозможны.
Ведущий исследователь Тунджай Баубек описывает этот подход как метод, позволяющий «заглянуть внутрь клетки, не нарушая ее естественные процессы». Он подчеркивает, что многие распространенные инструменты, такие как антитела, зачастую слишком прочно связываются с ДНК, что может мешать собственным системам восстановления клетки.
«Наш сенсор ведет себя иначе, – объясняет Баубек. – Он создан из элементов естественного белка, уже используемого клеткой. Он самостоятельно присоединяется к поврежденному участку и отсоединяется от него, поэтому мы можем наблюдать подлинное поведение клетки без искажений». Система основана на флуоресцентной метке, присоединенной к небольшому домену, взятому из одного из собственных белков клетки. Этот домен кратковременно распознает особый маркер, который появляется исключительно на поврежденной ДНК. Поскольку взаимодействие является мягким и обратимым, сенсор подсвечивает пораженный участок, не влияя на работу клеточных механизмов репарации.
Биолог Ричард Кардозо Да Силва, принимавший участие в разработке и оценке инструмента, вспоминает момент, когда осознал его потенциал: «Я тестировал некоторые лекарства и видел, как сенсор светится точно там же, где и коммерческие антитела. В тот момент я подумал: это сработает».
Контраст с устаревшими методами поразителен. Вместо проведения множества отдельных экспериментов для захвата разных моментов исследователи теперь могут наблюдать всю последовательность восстановления как единый непрерывный фильм. Это позволяет отслеживать, когда появляется повреждение, с какой скоростью прибывают репарационные белки и когда клетка устраняет проблему. «Вы получаете больше данных, более высокое разрешение и, что важно, более реалистичную картину того, что на самом деле происходит внутри живой клетки», – утверждает Кардозо Да Силва.
Исследовательская группа не ограничилась экспериментами в чашках Петри. Сотрудники Утрехтского университета успешно применили этот инструмент на нематоде C. elegans – широко используемом модельном организме. Сенсор продемонстрировал одинаково высокую эффективность и выявил запрограммированные разрывы ДНК, которые происходят во время развития червя. Для Баубека эта демонстрация была принципиально важна. «Это показало, что инструмент предназначен не только для клеток в лаборатории. Его также можно использовать в реальных живых организмах», – отмечает он.
Потенциальные применения сенсора выходят далеко за рамки простого наблюдения за репарацией. Белковый домен сенсора может быть соединен с другими молекулярными компонентами, что позволит ученым картировать расположение повреждений ДНК по всему геному или определять, какие белки собираются вокруг поврежденного участка. Исследователи также смогут перемещать поврежденную ДНК внутри ядра, чтобы проверить, как ее расположение влияет на процесс восстановления. «В зависимости от вашей креативности и поставленного вопроса, вы можете использовать этот инструмент множеством способов», – говорит Кардозо Да Силва.
Хотя новый сенсор сам по себе не является лечебным средством, он может значительно улучшить медицинские исследования. Многие методы лечения рака основаны на преднамеренном повреждении ДНК опухолевых клеток, и на ранних этапах разработки лекарств часто требуются точные измерения того, какой урон вызывает то или иное соединение.
«Сейчас клинические исследователи часто используют антитела для такой оценки, – рассказывает Баубек. – Наш инструмент мог бы сделать эти тесты дешевле, быстрее и точнее». Команда также видит потенциальные применения в клинической практике, например, для изучения естественного старения или обнаружения воздействия радиации и других мутагенных факторов. Инновация уже вызвала значительный интерес. Несколько лабораторий связались с командой еще до публикации, стремясь использовать сенсор в своих исследованиях репарации. Чтобы удовлетворить этот спрос, исследователи сделали инструмент общедоступным без ограничений. «Все доступно онлайн. Ученые могут использовать его немедленно», – резюмирует Баубек, подчеркивая простоту доступа к новой технологии.
