Направленная эволюция белков – технология, за которую была присуждена Нобелевская премия, – долгое время сталкивалась с существенным техническим ограничением. Традиционные методы отбора создают постоянное давление, поощряя молекулы находиться в активном состоянии непрерывно. Однако в живых организмах большинство белков работает иначе: они функционируют как переключатели или логические элементы, меняя состояние в зависимости от внешних условий. Если в ходе лабораторного эксперимента белок вынужден быть постоянно включенным, он быстро теряет способность к переключению, что в конечном итоге может привести к гибели клетки.
Группа исследователей под руководством Саханда Джамала Рахи из Федеральной политехнической школы Лозанны предложила решение этой проблемы, разработав метод под названием «оптоэволюция». Ученые использовали точно откалиброванные импульсы света для управления процессом отбора белков непосредственно внутри живых клеток. Это позволило вывести молекулы, способные выполнять сложные динамические задачи и подчиняться заданным временным алгоритмам, имитируя естественные биологические ритмы.
Для реализации метода исследователи модифицировали обычные пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Жизненный цикл клетки был перенастроен таким образом, что деление зависело исключительно от поведения тестируемого белка. Ученые связали выходной сигнал белка с регулятором клеточного цикла, который необходим организму на одной стадии, но становится токсичным на другой. В результате выживали и размножались только те клетки, чьи белки вовремя переключались между активным и пассивным состояниями в ответ на внешние раздражители.
Контроль над процессом осуществлялся с помощью методов оптогенетики. Каждые 90 минут – именно столько в среднем длится цикл деления дрожжей – система проверяла способность белка реагировать на световой сигнал. Варианты, которые срабатывали слишком медленно или оставались активными в темноте, отсеивались естественным путем. Такой подход исключает необходимость трудоемкого ручного скрининга и позволяет полностью автоматизировать создание молекул с заданным поведением.
В ходе экспериментов, в которых также принимали участие специалисты из Байройтского университета и Университетского госпиталя Лозанны, биологи получили 19 новых вариантов белков с улучшенными характеристиками. Некоторые из них приобрели чувствительность к зеленому свету вместо синего или стали эффективнее работать при слабом освещении. Кроме того, ученым удалось создать систему, реагирующую на красный свет без добавления внешних химических кофакторов: в процессе эволюции дрожжи сами приобрели мутацию, позволившую им задействовать внутренние ресурсы клетки.
Одним из наиболее значимых результатов стало создание «белкового компьютера» – транскрипционного фактора, который активирует гены только при одновременном получении двух разных сигналов: светового и химического. Подобная точность открывает новые возможности для синтетической биологии. Технология может быть использована для проектирования сложных клеточных цепей, разработки «умных» лекарственных препаратов и создания сенсоров нового поколения, способных независимо реагировать на различные спектры света.
