Försteri-tüüpi resonantne energiaülekanne

Försteri tüüpi resonantne energiaülekanne (FRET) on elektronide ergastatud oleku energia mittekiirguslik üleminek ühelt fluorestseeruvalt molekulilt või molekuli osalt (fluorofoorilt) teisele, mis võib aset leida, kui on täidetud järgmised tingimused: Fluorofoorid asuvad ruumiliselt piisavalt lähedal, 1–10 nm suurusjärgus (tüüpiliselt 3–6 nm); Fluorofoorid on sobilikult orienteeritud teineteise suhtes; Ühe fluorofoori (nn doonori) emissioonispekter kattub teise fluorofoori (nn aktseptori) ergastusspektriga – ehk doonori ja aktseptori energeetilised tasemed on võrreldavad, luues eeldused resonantsi toimimiseks. Erialakirjanduses tähistatakse Försteri tüüpi resonantset energiaülekannet lühendiga FRET, kus T tuleneb ingliskeelsest sõnast transfer. Sageli tõlgendatakse lühendi esimest tähte vihjena fluorestsentsile, kuid see käsitlus on eksitav, sest fluorestsents on kiirguslik protsess, seevastu FRET on mittekiirguslik. FRET toimumiseks peab doonor olema ergastatud olekus ning seda saavutatakse kiirgusliku ergastamise teel (molekulis neeldub footon elektromagnetikiirguse UV-alast või nähtavast alast). Ergastatud doonor viibib enamasti singletses olekus (S1D) ehk molekulis jäävad kõik elektronid paardunuks. FRET tulemusena kantakse energia mitte-kiirguslikult üle aktseptorile, saavutades aktseptori ergastatud singletset olekut (S1A). Mõnevõrra erandlikumad on juhud, kus doonori ergastatud olek on tripletne, ehk molekulis on kaks paardumata elektroni (st tegemist on fosforestseeruva doonoriga). Sel juhul toimub FRET doonori tripletest olekust T1D ja viib aktseptori singletsesse olekusse S1A. Protsessina konkureerib FRET seega doonori fluorestsentsi või fosforestsentsiga (kuivõrd osa doonori ergastatud oleku energiast lahkub tüüpiliselt siiski valgusena) ning soojusliku relaksatsiooniga. FRET kaudu saadud energia lahkub fluorestseeruvast aktseptorist kas valguse või soojusena. Põhimõtteliselt võib FRET toimuda ka süsteemides, kus aktseptor ei ole fluorestseeruv (st tegemist on molekuliga, mis neelab valgust, kuid ei emiteeri seda). Sellisel juhul saab FRET toimumist tuvastada, mõõtes doonori fluorestsentsi intensiivsuse või eluea muutusi (vt ka valemid allpool). Försteri-tüüpi resonantse energiaülekandega on mõnevõrra sarnane bioluminestsentsi resonantne energiaülekanne (BRET), mille puhul doonori ergastatud olek saavutatakse mitte footoni neeldumise teel, vaid keemilise reaktsiooni tulemusena. BRET puhul kasutatakse ergastatud doonormolekuli tekitamiseks enamasti ensüümi lutsiferaasi ja selle analooge: need katalüüsivad hapniku ja sageli ka ATP osavõtul kulgevat reaktsiooni, mille tulemusena eraldub luminestseeruv produkt. See käitub doonorina, mille energiat saab fluorestseeruvale aktseptorile mitte-kiirguslikult üle kanduda. FRET efektiivsust E saab arvutada energiaülekande tõenäosusena doonori iga ergastuse kohta: E = k ET k f + k ET + ∑ k i , {\displaystyle E={\frac {k_{\text{ET}}}{k_{f}+k_{\text{ET}}+\sum {k_{i}}}},} kus kET tähistab energiaülekande kiirust, kf doonori kiirgusliku relaksatsiooni kiirust ja ki mitte-kiirguslike relaksatsiooniprotsesside kiiruseid. FRET efektiivsus on määratud ka doonori ja aktseptori vahekaugusega r vastavalt valemile: E = 1 1 + ( r / R 0 ) 6 , {\displaystyle E={\frac {1}{1+(r/R_{0})^{6}}}{\text{,}}} kus R0 tähistab nn Försteri raadiust ehk vahekaugust, mille puhul FRET efektiivsus on 50%. Försteri raadius on erinev iga doonor-aktseptor-paari jaoks. Näiteks laialdaselt kasutusel olev FRET-paar, mis koosneb helesinisest fluorestseeruvast valgust (CFP, doonor) ja kollasest fluorestseeruvast valgust (YFP, aktseptor) omab R0 väärtust ligi 4.9 nm, samas fluorestseeruvatest valkudest LSSmOrange (doonor) ja mKate2 (aktseptor) koosnev FRET-paar omab R0 väärtust ligi 7.0 nm. Försteri raadius oleneb omakorda sellest, kui tugev on spektraalne kattuvus J doonori emissioonispektri ja aktseptori ergastusspektri vahel: R 0 6 = 2.07 128 π 5 N A κ 2 Q D n 4 J , {\displaystyle {R_{0}}^{6}={\frac {2.07}{128\,\pi ^{5}\,N_{A}}}\,{\frac {\kappa ^{2}\,Q_{D}}{n^{4}}}J,} kus κ võtab arvesse doonori ja aktseptori dipoolide vahelist nurka, QD on doonori kvantsaagis, NA on Avogadro arv ja n on keskkonna murdumisnäitaja. Praktilisem viis FRET efektiivsuse arvutamiseks võtab arvesse doonori fluorestsentsi intensiivsust aktseptori juuresolekul (FD’) või puudumisel (FD): E = 1 − F D ′ F D {\displaystyle E=1-{\frac {F_{\text{D}}'}{F_{\text{D}}}}} Analoogselt võib kasutada ka doonori fluorestsentsi eluiga aktseptori juuresolekul (τD’) või puudumisel (τD), kuivõrd aktseptori olemasolu suunab doonorist kui süsteemist energia välja (FRET kaudu) ning seega väheneb doonori molekulide populatsioon, mis võib valgust emiteerida: E = 1 − τ D ′ τ D {\displaystyle E=1-{\frac {\tau '_{\text{D}}}{\tau _{\text{D}}}}} Fluorestsentsi eluea mõõtmisel põhinevad lähenemised ei sõltu seejuures oluliselt doonori ega aktseptori kontsentratsioonist, kuni doonori signaal on tuvastatav ja aktseptorit on piisavalt, et doonori signaali mõjutada. FRET aluspõhimõtteid sõnastas esimesena saksa teadlane Theodor Förster 1946. aastal. Tänapäeval kasutatakse FRET nähtust laialdaselt bioloogiliste molekulide uuringutes, mõõtes energiaülekande efektiivsust ning hinnates selle alusel fluorofooridega ühendatud valkude vastastikmõju tugevust või konformatsioonilisi muutusi. Näiteks on olemas mitmeid geneetiliselt kodeeritud FRET-sensoreid. Neid viiakse rakkudesse DNA kujul ning DNA transkribeerimisel ja transleerimisel saab rakk toota ühte või mitut valgulist konstrukti, mis sisaldavad fluorestseeruvaid valke ja lisaelemente, mis tagavad sensori funktsionaalsust. Sel viisil on disainitud muuhulgas sensorid sekundaarse virgatsaine cAMP mõõtmiseks: sensori koosseisu kuulub valgul Epac põhinev „kassett“ cAMP sidumiseks, mis on ühendatud fluorestseeruvate valkudega CFP ja YFP või nende analoogidega. cAMP puudumisel saab toimuda FRET CFP (doonor) ja YFP (aktseptor) vahel, kuid cAMP seostumisel Epac külge muutub sensori ruumiline struktuur ning FRET efektiivsus väheneb. Sarnasel põhimõttel töötavad geneetiliselt kodeeritud FRET-sensorid rakusurma läbiviivate ensüümide kaspaaside aktiivsuse hindamiseks. Kaspaaside sensorites on kesksel kohal aminohappeline järjestus, mida kaspaas peab oma substraadiks; see järjestus on ühendatud fluorestseeruvate valkudega GFP ja RFP või nende analoogidega. Kaspaasi puudumisel saab toimuda FRET GFP (doonor) ja RFP (aktseptor) vahel, kuid kaspaasi juuresolekul toimub ühendava aminohappelise järjestuse lagundamine, kuna kaspaas on olemuselt proteaas. Ühendava ahela lagundamise tulemusena lahknevad fluorestseeruvad valgud teineteisest ning FRET efektiivsus väheneb. Samas eksisteerib ka mitmeid FRET-sensoreid, mille koostisse kuuluvad sünteetilised orgaanilised fluorofoorid või hoopis anorgaanilised nanoosakesed (nt kvanttäpid). Struktuurselt jäikade ning korduvatest elementidest koosnevate DNA või oligoproliini järjestuste ühendamisel väikese molekulmassiga fluorofooridega on võimalik saada nn molekulaarseid joonlaudu. Tänu sellele, et FRET efektiivsus sõltuvu sõltub oluliselt doonori ja aktseptori vahekaugusest, võimaldavad sellised joonlauad mõõta vahemaid keerulistes bioloogilistes süsteemides. Rahvusvahelise teaduskirjanduse andmebaasi PubMed statistika kohaselt on igal aastal ajavahemikus 2013–2023 ilmunud ligi 1000 artiklit, mis kasutavad märksõnana FRET. Jõgela, Joana (2017), ARC-LUM ühendite fotoluminestsentsomaduste uurimine tahkes polümeermaatriksis, vaadatud 5. novembril 2023 Sekar, Rajesh Babu; Periasamy, Ammasi (3. märts 2003). "Fluorescence resonance energy transfer (FRET) microscopy imaging of live cell protein localizations". The Journal of Cell Biology. 160 (5): 629–633. DOI:10.1083/jcb.200210140. ISSN 0021-9525. PMC 2173363. PMID 12615908. Cardullo, Richard A. (2002). "Principles of Non-Radiative FRET: The Spectroscopic Ruler" (PDF). Microscopy and Analysis: 19–21 – cit. via Wiley. "15.2: Förster Resonance Energy Transfer (FRET)". Chemistry LibreTexts (inglise). 12. september 2018. Vaadatud 5. novembril 2023. Niino, Yusuke; Hotta, Kohji; Oka, Kotaro (11. veebruar 2010). "Blue fluorescent cGMP sensor for multiparameter fluorescence imaging". PloS One. 5 (2): e9164. DOI:10.1371/journal.pone.0009164. ISSN 1932-6203. PMC 2820094. PMID 20161796. Michalet, Xavier; Kapanidis, Achillefs N.; Laurence, Ted; Pinaud, Fabien; Doose, Soeren; Pflughoefft, Malte; Weiss, Shimon (2003). "The Power and Prospects of Fluorescence Microscopies and Spectroscopies". Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure (inglise). 32 (1): 161–182. DOI:10.1146/annurev.biophys.32.110601.142525. ISSN 1056-8700. Manoharan, Ganesh Babu (23. veebruar 2016), Combining chemical and genetic approaches for photoluminescence assays of protein kinases (inglise), vaadatud 5. novembril 2023 Enkvist, Erki; Vaasa, Angela; Kasari, Marje; Kriisa, Marie; Ivan, Taavi; Ligi, Kadri; Raidaru, Gerda; Uri, Asko (21. oktoober 2011). "Protein-Induced Long Lifetime Luminescence of Nonmetal Probes". ACS Chemical Biology (inglise). 6 (10): 1052–1062. DOI:10.1021/cb200120v. ISSN 1554-8929. Bajar, Bryce T.; Wang, Emily S.; Zhang, Shu; Lin, Michael Z.; Chu, Jun (14. september 2016). "A Guide to Fluorescent Protein FRET Pairs". Sensors (Basel, Switzerland). 16 (9): 1488. DOI:10.3390/s16091488. ISSN 1424-8220. PMC 5038762. PMID 27649177. Harikumar, Kaleeckal G.; Yan, Yan; Xu, Ting-Hai; Melcher, Karsten; Xu, H. Eric; Miller, Laurence J. (20. november 2017). "Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) Assay for Determination of Molecular Interactions in Living Cells". Bio-Protocol. 7 (22): e2904. DOI:10.21769/BioProtoc.2904. ISSN 2331-8325. PMC 5800419. PMID 29423426. England, Christopher G.; Ehlerding, Emily B.; Cai, Weibo (18. mai 2016). "NanoLuc: A Small Luciferase Is Brightening Up the Field of Bioluminescence". Bioconjugate Chemistry. 27 (5): 1175–1187. DOI:10.1021/acs.bioconjchem.6b00112. ISSN 1520-4812. PMC 4871753. PMID 27045664. Szabó, Ágnes; Szöllősi, János; Nagy, Peter (2022). "Principles of Resonance Energy Transfer". Current Protocols (inglise). 2 (12). DOI:10.1002/cpz1.625. ISSN 2691-1299. Sun, Yuansheng; Wallrabe, Horst; Seo, Soo-Ah; Periasamy, Ammasi (25. veebruar 2011). "FRET microscopy in 2010: the legacy of Theodor Förster on the 100th anniversary of his birth". Chemphyschem: A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry. 12 (3): 462–474. DOI:10.1002/cphc.201000664. ISSN 1439-7641. PMC 3422661. PMID 21344587. Ma, Linlin; Yang, Fan; Zheng, Jie (5. november 2014). "Application of fluorescence resonance energy transfer in protein studies". Journal of Molecular Structure. 1077: 87–100. DOI:10.1016/j.molstruc.2013.12.071. ISSN 0022-2860. PMC 4215735. PMID 25368432. Lavogina, Darja; Laasfeld, Tõnis; Tahk, Maris-Johanna; Kukk, Olga; Allikalt, Anni; Kopanchuk, Sergei; Rinken, Ago (2021). "cAMP Biosensor Assay Using BacMam Expression System: Studying the Downstream Signaling of LH/hCG Receptor Activation". Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.). 2268: 179–192. DOI:10.1007/978-1-0716-1221-7_12. ISSN 1940-6029. PMID 34085269. Rahnel, Hedi; Viht, Kaido; Lavogina, Darja; Mazina, Olga; Haljasorg, Tõiv; Enkvist, Erki; Uri, Asko (20. oktoober 2017). "A Selective Biligand Inhibitor of CK2 Increases Caspase-3 Activity in Cancer Cells and Inhibits Platelet Aggregation". ChemMedChem. 12 (20): 1723–1736. DOI:10.1002/cmdc.201700457. ISSN 1860-7187. PMID 28837260. Grazon, Chloé; Chern, Margaret; Lally, Patrick; Baer, R. C.; Fan, Andy; Lecommandoux, Sébastien; Klapperich, Catherine; Dennis, Allison M.; Galagan, James E.; Grinstaff, Mark W. (7. juuni 2022). "The quantum dot vs. organic dye conundrum for ratiometric FRET-based biosensors: which one would you chose?". Chemical Science (inglise). 13 (22): 6715–6731. DOI:10.1039/D1SC06921G. ISSN 2041-6539. Lavogina, Darja; Kopanchuk, Sergei; Viht, Kaido (2018). "Dissection of Protein Kinase Pathways in Live Cells Using Photoluminescent Probes: Surveillance or Interrogation?". Chemosensors (inglise). 6 (2): 19. DOI:10.3390/chemosensors6020019. ISSN 2227-9040. Stein, Ingo H.; Schüller, Verena; Böhm, Philip; Tinnefeld, Philip; Liedl, Tim (25. veebruar 2011). "Single‐Molecule FRET Ruler Based on Rigid DNA Origami Blocks". ChemPhysChem (inglise). 12 (3): 689–695. DOI:10.1002/cphc.201000781. ISSN 1439-4235. Schuler, Benjamin; Lipman, Everett A.; Steinbach, Peter J.; Kumke, Michael; Eaton, William A. (22. veebruar 2005). "Polyproline and the "spectroscopic ruler" revisited with single-molecule fluorescence". Proceedings of the National Academy of Sciences (inglise). 102 (8): 2754–2759. DOI:10.1073/pnas.0408164102. ISSN 0027-8424. PMC 549440. PMID 15699337.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) "fret – Search Results – PubMed". PubMed (inglise). Vaadatud 5. novembril 2023.