Перекись водорода постоянно образуется в наших клетках как побочный продукт некоторых биохимических реакций. Будучи достаточно нестойкой молекулой, Н2О2 распадается на кислородные радикалы ·OH, которые окисляют белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Чтобы окислительный стресс не стал слишком сильным, в клетке есть специальные механизмы, обезвреживающие перекись водорода, тем не менее, понятно, что слишком много её появляться не должно. Считается, что старение и сопутствующие ему хронические заболевания развиваются из-за накопления агрессивных кислородных радикалов.

С другой стороны, клетки печени и почек с помощью перекиси обезвреживают разные токсичные молекулы, которые плавают в крови. Иммунные клетки используют перекись для борьбы с микробами. Также известно, что Н2О2 играет значительную роль во внутриклеточных сигнальных путях, управляющих делением клеток, их миграцией, аутофагией и другими важными процессами. У растений перекись водорода служит сигнальной молекулой, когда включается систему защиты от патогенов. Наконец, перекись водорода – один из главных компонентов взрывной смеси жуков-бомбардиров.

Словом, у перекиси водорода много важных функций, но чтобы изучать их, нужно точно знать, как меняется её концентрация в клетках. Но перекиси в клетках очень и очень мало, и живёт она из-за своей высокой реакционноспособности всего несколько секунд. Чтобы увидеть перекись в живой ткани, нужен совершенно особый сенсор, и именно такой сенсор удалось создать исследователям из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН вместе с коллегами из Бельгии, Франции, Германии и США.

Почти у всех бактерий есть специальный белок OxyR, чувствующий перекись водорода. OxyR использовали как зонд, а реакцию зонда должен был передавать другой белок – зелёный флуоресцентный белок, сшитый с OxyR. Зелёный флуоресцентный белок, или GFP, как можно понять по названию, флуоресцирует, то есть испускает зелёный свет, если его самого осветить лучами в диапазоне от синего до ультрафиолетового цвета. Но если его соединить с OxyR, чувствующим перекись водорода, свечение GFP будет меняться в зависимости от состояния OxyR: в присутствии перекиси свечение будет одно, а без перекиси – другое.

Эксперименты ставили с 11 разновидностями OxyR из разных бактерий, в результате лучше всего показал себя комплекс из GFP и OxyR из менингококка Neisseria meningitidis, который живёт в носоглотке и может вызывать менингит и назофарингит. OxyR из N. meningitidis реагирует на пероксид водорода, но при этом нечувствителен к другим активным формам кислорода. По словам Всеволода Белоусова, доктора биологических наук и заведующего отделом метаболизма и редокс-биологии ИБХ, менингококк в процессе эволюции, очевидно, выработал сверхчувствительный OxyR, строго избирательный к пероксиду водорода, чтобы заранее чувствовать активацию нейтрофилов и макрофагов – иммунных клеток организма хозяина. Нейтрофилы и макрофаги используют пероксид водорода, чтобы убить бактерию, но если менингококк вовремя почувствует присутствие Н2О2, то он успеет усилить свои антиоксидантные системы, защищающие его от окислительного стресса.

По словам авторов работы, биосенсор из белков GFP и OxyR , названный HyPer7, реагирует на сверхнизкие концентрации перекиси водорода – он оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее предыдущих версий сенсоров; кроме того, он не зависит от кислотности среды. С помощью HyPer7 уже удалось изучить, как перемещается H2О2 внутри клетки, исследовать роль градиентов пероксида водорода в движении клеток и при повреждении тканей. Подробно результаты экспериментов описаны в Cell Metabolism. В перспективе с помощью нового сенсора мы узнаем о том, какую роль играет перекись водорода не только при патологиях, но и в нормальных клеточных процессах.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ).