Ученые 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 синтезировали новые реагенты для присоединения флуоресцентных красителей к молекулам живых клеток
Химики и биологи Санкт-Петербургского университета разработали новые реагенты на основе гетероциклоалкинов, которые позволят надежно и безопасно присоединять флуоресцентные метки к биомолекулам. Созданные вещества помогут визуализировать процессы, протекающие в клетках и тканях живых организмов, и изучать их динамику в режиме реального времени.
Результаты работы опубликованы в?Journal of?the American Chemical Society.
Современные ученые могут исследовать состав и?изменение живых клеток с?помощью флуоресцентного биоимиджинга. Это метод, при котором интересующие исследователя молекулы организма, например белки или ДНК, ?подсвечиваются? флуоресцентными красителями и?под воздействием света определенной длины волны становятся видимыми для скрининговых систем.
Чтобы биоимиджинг был успешным, необходимо надежно ?сшить? флуоресцентные метки и?выбранные молекулы. Для этого используют специальные химические реакции. По?словам кандидата химических наук доцента кафедры органической химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Натальи Данилкиной, самыми востребованными и?сбалансированными сегодня являются реакции SPAAC (strain-promoted azide-alkyne cycloaddition). Они позволяют непосредственно в?клетках присоединять к?биополимерным молекулам, модифицированным азидными группами, специальные реагенты?— циклоалкины, содержащие метку с?красителем.
SPAAC?— это биортогональная клик-реакция, то?есть реакция, которая способна протекать в?живых клетках, но?при этом не?вредит им?и?сама не?подвержена влиянию со?стороны живых систем.
Кандидат химических наук доцент кафедры органической химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Наталья Данилкина
?В?таких реакциях не?требуется использовать токсичные медные катализаторы, в?них отсутствуют побочные продукты. Реакции SPAAC чрезвычайно важны для того, чтобы проводить биологические эксперименты. Таким образом можно изучать физиологию живых клеток и?процессы, которые в?них протекают, а?также устанавливать склонность клеток к?преобразованию в?опухолевые?,?— объясняет исследователь.
Как отмечает Наталья Данилкина, на?рынке уже существует несколько видов реагентов на?основе циклоалкинов?— молекул, имеющих замкнутый цикл из?атомов углерода с?тройной углерод-углеродной связью внутри цикла. Однако ученым 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 под руководством доктора химических наук директора Института химии Ирины Баловой удалось синтезировать принципиально новые реагенты. Они отличаются легкодоступностью и?оптимальным балансом между реакционной способностью в?SPAAC и?стабильностью, то?есть устойчивостью к?окружающей среде и?прочим реагентам.
Исследование было поддержано грантом РФФИ №?20-03-00117 и?грантами РНФ 21-13-00218, 19-73-10077.
Работа над веществами проходила в?несколько этапов. Вначале исследователи создали специальный синтетический метод для получения циклоалкинов. Он?позволил легко сконструировать и?синтезировать серию молекул с?разным размером цикла (от?восьми до?десяти атомов) и?специальными структурными элементами?— гетероциклическим кольцом и?гетероатомом (любым атомом, кроме углерода или водорода) в?циклоалкине. Эти элементы были важны для регулировки баланса между активностью в?SPAAC и?стабильностью.
Следом химики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 изучили реакционную способность и?устойчивость синтезированных соединений с?помощью кинетических исследований и?квантовых химических расчетов. Работы проводились на?базе Научного парка 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入: в?Вычислительном центре, а?также в?ресурсных центрах ?Методы анализа состава вещества?, ?Магнитно-резонансные методы исследования? и??Рентгенодифракционные методы исследования?.
По?словам Натальи Данилкиной, эксперименты и?расчеты помогли выявить неклассическую реакционную способность соединений с?циклами из?девяти атомов. ?Обычно чем больше цикл, тем меньше реакционная способность и?больше стабильность соединений. В?нашем случае стабильность действительно отличалась: с?восьмичленными циклами было невозможно работать из-за их?неустойчивости, а?девятичленные оказались стабильными. А?вот реакционная способность восьмичленных и?девятичленных циклов при этом была практически одинаковой?,?— поясняет исследовательница.
На?основе этих данных ученые 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 установили, что гетероцикл-содержащие гетероциклоалкины из?девяти атомов (циклононины)?— самая подходящая группа реагентов для SPAAC. Как рассказала Наталья Данилкина, у?этих соединений наблюдается наилучший баланс между стабильностью и?реакционной способностью. Тогда как соединения с?циклами из?восьми атомов (циклооктины) оказались слишком нестабильными, а?вещества из?десяти атомов (циклодецины) инертными.
На?последнем этапе исследователи 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 разработали метод присоединения флуоресцентных красителей к?новой группе реагентов и?провели эксперименты по?введению получившихся соединений в?биомолекулы раковых клеток. Исследования проходили в?лаборатории биомедицинской химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入. Эксперименты подтвердили эффективность циклоалкинов с?девятичленным циклом для SPAAC. Как сообщила Наталья Данилкина, ученые 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 уже могут использовать новые реагенты для проведения исследований по?различным направлениям.
В?настоящее время научная группа работает над усовершенствованием полученных веществ. ?Сейчас для того, чтобы в?клетке прошла реакция с?использованием наших реагентов, требуется восемь часов. Мы?стремимся довести эту реакционную способность до?15?минут. Проверяем все возможные варианты структур с?улучшенной реакционной способностью при сохранении стабильности. Ищем наиболее эффективную молекулу. Также подбираем оптимальные пути связывания реагентов с?флуоресцентными красителями и?другими группами?,?— заключает Наталья Данилкина. Она добавляет, что в?дальнейшем исследователи планируют запатентовать разработку.
Наша работа полностью отвечает приоритетным направлениям Программы научно-технологического развития Российской Федерации и?Программы развития 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入, которые связаны с?переходом к?персонализированной медицине и?высокотехнологичному здравоохранению.
Руководитель исследовательской группы, директор Института химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 доктор химических наук, профессор Ирина Балова
?Молекулы, которые мы?придумываем и?синтезируем, являются молекулярными инструментами для биологов и?медиков. Они позволяют им?исследовать молекулярные механизмы заболеваний и?находить эффективные методы их?лечения?,?— отметила руководитель исследовательской группы, директор Института химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 доктор химических наук, профессор Ирина Балова.
Материал опубликован на сайте Министерства науки и высшего образования РФ, Российского научного фонда, ТАСС Наука