I levende farver:at se celler udefra kroppen med syntetisk bioluminescens

Glødende væsner som ildfluer og vandmænd er interessante for forskere, da deres bioluminescerende molekyler bidrager til at visualisere en lang række biologiske processer. Nu, videnskabsmænd i Japan har overladet disse molekyler, gør dem hundredvis af gange lysere i dybe væv og giver mulighed for billeddannelse af celler uden for kroppen. Den biokonstruerede lyskilde blev brugt til at spore kræftceller i mus og hjernecelleaktivitet hos aber, men dens applikationer rækker ud over laboratoriet.

Bioluminescens er resultatet af et partnerskab. Et enzym, I dette tilfælde, luciferase afledt af ildfluer, katalyserer substratet D-luciferin, skabe en grøn-gul glød i processen. Der har været betydelig forskning for at gøre denne proces mere effektiv, for eksempel, ved at skifte luciferin ud til syntetiske analoger og forbedre hastigheden af ​​katalyse. Atsushi Miyawaki og kolleger søgte at gå længere, forfine begge ingredienser til at skabe AkaBLI, et fuldstændigt biokonstrueret bioluminescenssystem til in vivo brug. Forskningen er publiceret i Videnskab .

Baseret på tidligere arbejde, forskerne vidste, at et syntetisk luciferin kaldet AkaLumine-HCl er i stand til at trænge ind i blod-hjerne-barrieren og producere et rødligt lys, der lettere kan ses i kropsvæv. Det var ikke særlig kompatibelt med den naturlige luciferase, imidlertid, så de muterede successivt enzymet for at forbedre parringen med AkaLumine-HCl. Det resulterende Akaluc-protein er både en mere effektiv katalysator for substratet og udtrykkes mere rigeligt af celler. I musens hjerne, denne kombination af Akaluc, der katalyserer AkaLumine-HCl, døbt AkaBLI, resulterede i et bioluminescenssignal 1000 gange stærkere end det fra den naturlige luciferase-luciferin-reaktion. Andre steder i kroppen, kun en eller to glødende celler var tydeligt synlige inde fra musens lunge, noget, der kunne være nyttigt til overvågning af transplanterede celler.

Bioluminescens kan introduceres let og frivilligt ved at inkludere AkaBLI i dyrenes drikkevand, som giver den mest vedvarende glød, selvom injektion af molekylerne gav større intensitet. "Den grundlæggende forbedring, selvom, er den praktiske anvendelighed for in vivo fysiologiske undersøgelser, " siger Miyawaki.

Med AkaBLI, hvordan hjerneaktivitet og strukturer ændrer sig med adfærd, kan direkte observeres over tid. I et eksperiment, hvor mus blev udsat for velkendte og nye burmiljøer, de samme neuroner i hippocampus kunne registreres over flere dage. "Dette er første gang et så lille ensemble af et par dusin dybe neuroner relateret til en specifik læringsadfærd kan visualiseres non-invasivt, " siger Miyawaki. Og i en silkeabe, forskerne var i stand til at spore deep-brain neuroner i mere end et år ved hjælp af AkaBLI. Potentialet for denne form for stabil og langvarig bioluminescens til at forstå neurale kredsløb under naturlig adfærd, bemærker Miyawaki, er lovende.