Дрожжевой биосеснсор каннабиноидов

Совсем недавно учёные разработали биосенсор, который можно легко использовать «‎в полевых условиях»‎: на таможне или перед спортивными соревнованиями. При этом лабораторного оборудования и специалистов не требуется! Девайс с таким биосенсором содержит целые дрожжевые клетки, запрограммированные особым образом. Чтобы обнаружить вещество (в данном случае  —  каннабиноид), клетки используют рецепторы GPCR.

Чем круты GPCR?

GPCR (G-protein-coupled receptors)  —  это огромное семейство рецепторов эукариот, важное для самых разных процессов в организме. Именно благодаря этим рецепторам мы можем видеть, ощущать вкус и запах. Также GPCR играют ключевую роль в работе эндокринной и иммунной системы: за счет GPCR клетки распознают сигнальные молекулы и реагируют на них.

Поэтому в ходе эволюции GPCR рецепторы приобрели способность распознавать самые разные стимулы: небольшие химические соединения, белковые сигналы и даже свет! Этот факт позволяет использовать GPCR в биотехнологиях, чтобы  специфично обнаруживать огромное разнообразие соединений.

GPCR называются так потому, что они взаимодействуют с G-белками (G-protein-coupled), которые передают сигнал дальше в клетку. Вот как это работает: когда сигнала нет, G-белок находится в комплексе с рецептором, при этом его α-субъединица связана с веществом GDP. Когда приходит сигнал и активирует рецептор, G-белок меняет свою конформацию, при этом комплекс с рецептором разрушается. При этом α-субъединица тоже отваливается, но связанный с ней GDP заменяется на GTP. Теперь субъединицы G-белка свободны, они взаимодействуют с другими мембранными белками и запускают различные реакции. Что именно происходит дальше  —  зависит от типа G-белка.

Откуда у дрожжей нужные сигнальные пути?

Марихуана оказывает влияние на нервную систему человека, потому что там есть каннабиноидные рецепторы CB1 и CB2, именно они активируются действующими веществами марихуаны. При этом активируются определенные сигнальные пути 

Но дрожжи сильно отличаются от человека по набору сигнальных путей! Казалось бы, если просто генетически модифицировать дрожжей и вставить им гены каннабиноидных рецепторов, это не сработает, ведь рецептор связан с целым сигнальным путем.

Однако на деле дрожжей легко заставить реагировать на каннабиноиды! Дело в том, что у дрожжи обмениваются феромонами, и рецепторы этих феромонов тоже относятся к семейству GPCR. При этом соответствующий сигнальный путь совпадает с человеческим, он вообще довольно консервативен (то есть мало отличается у самых разных организмов). Поэтому биотехнологам остаётся только заменить феромоновый рецептор на каннабиноидный, чтобы система распознавания заработала.

Как работает биосенсор?

Итак, мы разобрались с тем, как происходит распознавание действующего вещества марихуаны  —  за это ответственны рецепторы из семейства GPCR, а также поняли, почему у дрожжей есть соответствующие сигнальные пути. Но кроме собственно детекции каннабиноидов, биосенсор, как и любой другой прибор, должен сообщить о том, что вещество обнаружено. 

Биологи используют для этого гены-репортёры. Их встраивают ДНК рядом с геном, активацию которого хотят выявить, и они активируются вместе. Сам репортёр светится, флюоресцирует или придаёт клетке другое свойство, которое позволяет легко отличить активированные клетки.

В данном случае учёные разработали биосенсор с модульной структурой, за счёт этого в качестве репортёра могут использоваться разные варианты:

Другие модули (рецептор, адаптер и актуатор) также могут быть заменены, что невозможно для простых, немодицифированных, дрожжей. Это позволяет использовать данные наработки для детекции разных веществ (нужно просто заменить рецептор с адаптором) и для использования в разных областях, ведь в каких-то случаях удобнее использовать изменение цвета в качестве сигнала, а в других  —  флуоресценцию.

Пример реального применения

Детекция каннабиоидов  —  это сложная задача, так как они могут быть довольно разными с точки зрения химической структуры. Для этого хорошо подходят рецепторы млекопитающих, но биосенсоры на основе клеток млекопитающих  —  это сложно и дорого, вряд ли их разумно использовать вне лаборатории. Напротив, биосенсор на основе дрожжей хорошо подходит для «‎полевых условий»‎.

Чтобы доказать это, учёные разработали портабельный девайс, который можно использовать, например, на таможне или перед спортивными соревнованиями.

Вот как его можно использовать: сначала в лунку с дрожжами добавляют образец, в котором нужно выявить каннабиноиды (кровь или слюна). Затем культуру смешивают веществом, активирующим культуру дрожжей (оно в комплекте). Несколько часов  —  и готово, результат виден невооруженным глазом! Для простоты использования исследователи предлагают использовать приложение на смартфоне для сканирования.