Vender det evolutionære ur tilbage på et lysfølsomt protein

Vi er tættere på at bruge lys til at helbrede sygdomme. Nøglen er at udnytte kraften i proteiner, der er følsomme over for lys.

Kerfeld -laboratoriet undersøger det orange carotenoidprotein (OCP), unik for cyanobakterier (tidligere kendt som blågrønne alger), som er organismer, der er uhyre produktive ved fotosyntese.

OCP og dets homologer, beskytte cyanobakterier, når de udsættes for for meget sollys, som ellers ville beskadige de fotosyntetiske systemer, og hvis ekstrem, skader selve cellen.

Og ligesom skinnende lys udløser OCP'ernes aktivitet, forskere ønsker at bruge dette svar til at aktivere konstrueret, brugerdefinerede sundhedsteknologier.

Men først, vi er nødt til at forstå, hvordan OCP og dets pårørende fungerer, ifølge Sigal Lechno-Yossef, en post-doc i Kerfeld-laboratoriet.

I hendes seneste undersøgelse, udgivet i Plantejournalen , Sigal viser, hvordan de to dele af OCP interagerer, når de deles fra hinanden. Hun formår også at skabe nye, syntetiske OCP'er ved at blande og matche byggestenene fra forskellige typer OCP, der findes i naturen.

Omvendt evolution

I naturen, proteiner består af et begrænset antal domæner - tænk på dem som legoklodser - der kombineres på forskellige måder.

OCP består af to blokke, kaldet C-terminal domæne og N-terminal domæne, dækket af et carotenoidpigment, der bolter de to dele sammen.

Sådan fungerer de:

Sigal og hendes kolleger i Kerfeld Lab har mistanke om, at OCP, som vi kender det i dag, er resultatet af forfædre til de to domæner, der går sammen, millioner af år siden. I evolutionen, gener for proteiner, der arbejder sammen, bliver nogle gange permanent smeltet sammen til en enkelt, større protein.

Sigal vendte denne evolutionære begivenhed i laboratoriet - kald det devolution. "Vi ville bedre forstå udviklingsprocessen for OCP fra domænehomologer, der findes i cyanobakterier i dag, ”Siger Sigal.

Forskerne afbrød den forbindende carotenoidbinding for at splitte et OCP -protein fra hinanden. Derefter, de satte begge domæner ind i en testvært for at se, om de ville finde hinanden og oprette forbindelse igen - grundlæggende genfinde hvad de synes var den evolutionære proces.

"Uden carotenoid, de to dele forblev adskilte. Når vi satte carotenoiden i, de låst fast på hinanden. Vi skabte stort set flere syntetiske versioner af OCP. "

De syntetiske OCP -reaktioner lignede deres naturlige fætre i nærvær af lys. Men af ​​en eller anden grund, sandsynligvis i de små detaljer i deres strukturer, kun en af ​​de syntetiske versioner kom sammen igen i mørket.

Som en bonus, selvom de to OCP -domæner forblev adskilte uden carotenoidbolten, den konfiguration gav nogle interessante indsigter.

"I OCP, det N-terminale domæne binder sig stærkere til carotenoiden, "Sigal siger." Da vi isolerede domæner, vi fandt ud af, det C-terminale domæne, når det er alene kan binde sig til carotenoiden. "

Proteiner, der ligner det C-terminale domæne, er udbredt i planter, bakterie, og nogle dyr, som åbner nye muligheder for at udforske tekniske applikationer i en række organismer, ud over bakterier.

Brug af lys i syntetisk biologi

Cheryl Kerfeld, hovedforsker ved Kerfeld -laboratoriet, mener, at præcis viden om strukturerne i de forskellige OCP -byggesten gør dem særligt velegnede til teknik.

Det langsigtede mål er at bruge OCP og dets separate delkomponenter i nye, syntetiske systemer, specifikt optogenics, en nyligt udviklet teknik, der bruger lys til at styre processer i levende celler.

Optogenetik, fremhævet i en 2010 Science -artikel om årtiets gennembrud, "viser os, hvordan hjernen fungerer, hvordan vi lærer, eller hvordan vi vågner. Forskere håber, at målretning mod specifikke hjerneceller vil hjælpe os med at helbrede Parkinsons eller Alzheimers, endda bekæmpe psykiske sygdomme.

Lysfølsomme proteiner, ligner OCP, er nøglen til at aktivere og kontrollere hændelser i optogenetiske applikationer. Selvom OCP endnu ikke skal prøves i en specifik optogenetisk applikation, Kerfeld Lab mener, at deres egenskaber sandsynligvis vil være nyttige.

"OCP'er reagerer hurtigere på lys, sammenlignet med de nuværende lysfølsomme proteiner, der anvendes i optogenetiske eksperimenter, "Sigal siger." De er også så fleksible i, hvordan de bryder fra hinanden og kommer sammen igen. De er en fantastisk kandidat. "

Hun tilføjer, "Nu hvor vi har vist, at vi kan lave kunstige hybrid -OCP'er, vi har en bredere vifte af muligheder. "F.eks. hvis en patient har brug for flere doser medicin, deres indtag kunne kontrolleres med et syntetisk OCP, der samles og adskilles for at kontrollere doseringer.

Eller, OCP -domæner kan bruges separat, for eksempel, som en kill switch til behandlinger, der kræver enkeltdoser, i modsætning til flere cyklusser.

"Vi er stadig i den teoretiske fase med at forestille os applikationer, men vi er ikke langt fra, hvor vi kan begynde at eksperimentere med syntetiske systemer. "