Химический компас заработал в слабом магнитном поле
Коллектив британских и американских ученых изучил на практике поведение модели химического компаса в слабом магнитном поле. Оказалось, что изменение направления вектора поля силой всего в 50 микротесла уже заметно влияло на отклик компаса. Результаты исследования, опубликованого в журнале Nature Communications, помогут ученым приблизиться к пониманию магниточувствительности перелетных птиц и мигрирующих животных.
До сих пор ученые не до конца понимают, как живым существам, которым необходимо мигрировать на большие расстояния, удается ориентироваться в пространстве. Многие из существующих гипотез основываются на том, что в этом им (и даже человеку) помогает магнитное поле Земли, однако какие физические или химические процессы этим управляют, пока не ясно.
Наиболее вероятно, что за чувствительность к магнитному полю Земли, как минимум частично, отвечают криптохромы — светочувствительные белки в сетчатке глаз птиц, способные играть роль химического компаса по механизму радикальных пар. По определению, свободный радикал — это молекула с неспаренным электроном на валентном уровне. Из-за нескоменсированности спина радикалы обладают свойствами парамагнетиков, но их магнитные моменты настолько маленькие, что заметного взаимодействия со слабым магнитным полем Земли они не обеспечивают. Ситуация меняется, если из одной молекулы образуется две радикальных частицы: либо при гомолитическом разрыве ковалентной связи, либо в результате окислительно-восстановительной реакции переноса электрона от донора к акцептору. В таких двойных парах радикалов спины электронов могут оказаться направлены либо в противоположные стороны (синглетное состояние), либо в одну (триплетное состояние), и взаимодействовать с внешним магнитным полем.
Под действием света в молекулах криптохрома образуются пары радикалов с сохранением спинового углового момента. Сразу после возникновения, из-за наличия сверхтонкого взаимодействия электронов с ядрами, пара переходит из одного состояния в другое (от синглетного к триплетному или наоборот). Действие внешнего магнитного поля снижает скорость этого перехода. Если поле слабее сверхтонкого взаимодействия в радикальной паре, наблюдают нормальный эффект Зеемана и увеличение числа возможных переходов из синглетного в триплетное состояние.
Для того, чтобы успеть поймать смешение состояний под действием слабого магнитного поля, необходимо создать такую систему, чтобы переходы из этих состояний осуществлялись по-разному, были достаточно продолжительными (в том числе и при релаксации), а взаимодействия радикалов друг с другом были слабее, чем их взаимодействия с ядром и полем.
Кристиан Керпал (Christian Kerpal) с коллегами из Оксфордского университета с помощью спектроскопии поглощения с высоким временным разрешением смогли увидеть в эксперименте над модельной молекулой из трех ковалентно-связанных частей (фуллерена, порфирина и каротеноида) изменения состояний радикала под действием слабого магнитного поля, сравнимого по силе с полем Земли (50 микротесла).
По изменению поглощения (следственно, и концентрации) катион-радикала каротеноида по сравнению с поглощением без внешнего поля авторы работы оценивали время перехода и силу поля, при которой меняется механизм взаимодействия радикалов с внешним магнитным полем. Зеленый линейно поляризованный свет генерировал пару радикалов, а по поглощению красного света судили о концентрации катион-радикала.
Магнитное поле с одной амплитудой, но с разным направлением, создавали с помощью трех перпендикулярных друг другу катушек Гельмгольца. Неточность значения накладываемого поля составила меньше десяти микротесла. Влияние поля оценивали в этом случае по зависимости угла между вектором направленности поля и перпендикулярной направлению лазерных лучей оси.
Эффект взаимодействия с полем изменялся синусоидально в зависимости от направления магнитного поля, причем его смена на 180 градусов никак не влияла на относительное поглощение каротеноидовой частью молекулы.
Исследователи, таким образом, показали работу химического компаса при действии слабых полей в модельной системе. Авторы предполагают, что в природе по такому механизму могут функционировать флавин или триптофан в молекуле криптохрома. Расчеты предыдущих теоретических исследований, однако, показали, что наиболее вероятная на сегодняшний день радикальная пара флавин и радикал аскорбиновой кислоты не способна реагировать на слабое магнитное поле Земли. Вопрос о том, могут ли существовать эти эффекты, и как они реализуются в живых организмах, поэтому остается открытым.
Большинство экспериментальных исследований магниторецепции проводят на живых существах. Например, в генотипе дрозофил нашли код для синтеза белка, который связывает криптохром и оксид железа в комплекс, способный играть роль компаса, а влияние поляризации света на способность ориентироваться проверяли по движению птиц при разном свете. Наличие у угрей способности использовать магнитные поля для ориентации в пространстве обнаружили, прикладывая магнитные поля, соответствующие областям вод, по которым эти рыбы путешествуют.
Алина Кротова
И еще четырех видов опухолей
Британские и датские иммунологи обнаружили на цитотоксических T-лимфоцитах рецептор, узнающий одновременно три разных опухолевых антигена. Пациент, у которого были обнаружены эти Т-клетки, смог достичь полной ремиссии меланомы четвертой клинической стадии. Такое строение T-клеточных рецепторов не дает клеткам опухоли ускользнуть от противоопухолевого иммунитета. Похожие типы Т-клеточных рецепторов есть и у здоровых людей, но их роль в противоопухолевом иммунитете пока неясна. Исследование опубликовано в виде статьи в журнале Cell. Клеточная терапия онкологических заболеваний направлена на введение в организм Т-лимфоцитов, узнающих фрагменты белков опухоли, выставляемые клетками на поверхности белков главного комплекса гистосовместимости (HLA-антигенов). Она позволяет добиться ремиссии во многих случаях, при которых другие виды лечения неэффективны. Но врачи часто сталкиваются с ускользанием опухолевого клона от такого иммунитета. Иногда достаточно нескольких месяцев, чтобы опухолевые клетки перестали экспрессировать маркер, который должны были узнавать лимфоциты. Хотя большинство Т-лимфоцитов узнают один эпитоп, некоторая часть из многообразия Т-клеточных рецепторов, образующихся в процессе созревания Т-клеток, узнает не один, а сразу несколько антигенов. Такие клетки есть и у здоровых людей, и у пациентов с аутоиммунными болезнями. Рецепторы, нацеливающие иммунную систему сразу на несколько молекул-мишеней, могли бы повысить эффективность клеточной терапии. Ведь даже если с поверхности опухоли исчезнет один антиген, то иммунный ответ против второго сохранится, и лечение останется эффективным. Шаг в сторону использования этого принципа в терапии сделала группа онкологов и иммунологов из Великобритании и Дании под руководством Эндрю К. Сьюэлла (Andrew K.Sewell) из Университета Кардиффа. На протяжении последних 15 лет они занимаются клеточной терапией меланомы. В рамках клинических исследований врачи забирали у пациентов клетки крови, отбирали среди них Т-лимфоциты, тропные к меланоме, и после культивации in vitro вводили клетки обратно пациентам. В одном из исследований, проведенном в 2011-2014 годах, участвовал пациент с четвертой клинической стадией меланомы, у которого клеточная терапия позволила добиться десятилетней ремиссии болезни (обычно же медианная продолжительность жизни с момента постановки диагноза у таких пациентов не превышает года). Ученые решили детально исследовать, с какими особенностями Т-клеточного ответа это было связано. Как выяснили иммунологи, почти вся противоопухолевая активность лимфоцитов пациента была связана одним лимфоцитарным клоном (его обозначили MEL8), который реагировал in vitro не только на меланому, но и на клетки острого миелолейкоза, опухоли молочной, предстательной и поджелудочной железы от других пациентов с таким же типом HLA-антигена (гаплотип HLA A*02:01, наиболее распространенный в мире). Это было неожиданно, ведь рецепторы этих Т-клеток чувствительны к белку мелану A, специфичному для меланоцитов и происходящих от них опухолей (включая меланому). Авторы создали библиотеку из 936 миллиардов декапептидных последовательностей и оценили in silico сродство рецепторов MEL8 к олигопептидам, связанным с HLA A*02:01. Такой скрининг позволил отобрать 500 пептидов, представленных в протеоме человека. Три из них — участки белков мелана А, BST2 и IMP2 — имели сродство к Т-клеточному рецептору MEL8 in vitro и при этом экспрессировались меланомой. У всех трех декапептидных последовательностей нашлась гомология и на уровне аминокислотной последовательности, и на уровне третичной структуры, что было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Т-клетки, у которых есть рецепторы, тропные одновременно к мелану А, IMP2 и BST2, были обнаружены у здоровых добровольцев и у одного пациента с хроническим лимфолейкозом, но их количество было невелико. Обнаруженный вид поливалентного рецептора можно использовать и для лечения других пациентов: исследователи секвенировали последовательность Т-клеточного рецептора и трансдуцировали этой последовательностью другие линии лимфоцитов в рамках своих экспериментов. Следовательно, есть предпосылки для создания эффективной клеточной терапии опухолей или противоопухолевой вакцины. Впрочем, пока невозможно говорить, насколько безопасной было бы такое лечение, ведь исследование британских и датских ученых основано лишь на единичных наблюдениях пациентов с опухолями. Кроме того, распознавание эпитопов Т-клеточным рецептором зависит от варианта HLA.антигена, имеющегося у данного конкретного человека, и распространенность полимодальных Т-клеточных рецепторов у носителей разных вариантов HLA может отличаться. Даже сильного иммунного ответа против клеток меланомы может оказаться недостаточно для победы над болезнью — на эффективность лечения могут влиять такие факторы, как уровень тестостерона.