Fremstilling af lysaktiverede proteiner

En ny strategi til design af lysfølsomme proteiner er blevet udviklet af forskere ved Ruhr-Universität Bochum (RUB). Sådanne proteiner, også kendt som optogenetiske værktøjer, kan tændes og slukkes gennem lysimpulser, udløser således specifikke cellulære processer. De kan, for eksempel, bruges til at analysere og kontrollere, hvordan signaler transmitteres af nerveceller. Indtil nu, forskere, der udvikler optogenetiske værktøjer, har stort set været tvunget til at ty til trial-and-error. En kombination af computerstøttede og eksperimentelle metoder har nu banet vejen for en mere målrettet tilgang.

I samarbejde med en kollega fra Münster, holdet ledet af professor Stefan Herlitze, Institut for Generel Zoologi og Neurobiologi ved RUB, og professor Klaus Gerwert, Institut for Biofysik ved RUB, har publiceret en artikel om metoden i tidsskriftet " Chembiochem ", hvor den blev vist som forsidehistorie i udgaven fra 15. juli 2019.

Tænde og slukke for proteiner med lys i forskellige farver

Et eksempel på et optogenetisk værktøj er proteinet melanopsin. Den kan tændes og slukkes af to lyssignaler i forskellige farver. "Tit, mere end blot ét optogenetisk værktøj er påkrævet, for eksempel hvis to forskellige processer skal styres i en celle uafhængigt af hinanden, " forklarer Raziye Karapinar fra Institut for Generel Zoologi og Neurobiologi. "Vi skal derfor sikre, at farvesignalerne for begge værktøjer ikke overlapper hinanden, " tilføjer Dr. Till Rudack, biofysiker fra Bochum.

Klaus Gerwerts og Stefan Herlitzes forskerhold har udviklet en hybridstrategi for målrettet proteinudvikling af melanopsin og andre optogenetiske værktøjer. Til denne ende, forskerne kombinerede computerstøttede beregningsmetoder med elektrofysiologiske målinger.

Computersimulering bestemmer den aktiverende lysfarve

Ved hjælp af kvantekemi computersimuleringer, de beregnede den specifikke lysfarve, der kræves for at aktivere et protein. Dermed, de bestemte, hvordan individuelle proteinbyggesten hhv. udvekslingen af ​​individuelle proteinbyggesten påvirker lysfarven. Computersimuleringen genererede en liste over proteinvarianter, der kvalificerer sig som potentielle optogenetiske værktøjer. Efterfølgende forskerne brugte elektrofysiologiske målinger til at analysere de lovende kandidater med hensyn til deres optogenetiske potentiale. Dette inkluderer lysfølsomhed, dvs. hvor meget lys der skal til for at tænde og slukke for proteinet, samt den hastighed og selektivitet, hvormed mekanismer implementeres eller afsluttes efter aktivering af kontakten. Et godt optogenetisk værktøj kan tændes og slukkes hurtigt efter hinanden ved lav lysintensitet.

Validering med gennemarbejdet optogenetisk værktøj

Ved at bruge det velundersøgte optogenetiske værktøj Channelrhodopsin-2, holdet validerede den nye hybridstrategi. For dette protein, forskerne brugte computersimulering til at verificere, hvordan en udveksling af proteinbyggesten ville påvirke den aktiverende lysfarve. Prognoserne svarede til værdierne målt i forsøg. "Denne kamp viser, hvor pålidelig vores strategi er, og det validerer også dets anvendelse for proteiner, som vi ikke ved meget om, såsom melanopsin, " siger biofysiker Dr. Stefan Tennigkeit.

Nye melanopsin varianter

Med deres strategi, gruppen udvekslede specifikke proteinbyggesten i melanopsin, manipulerer således lysfarven til molekyleaktivering, uden at forringe proteinfunktionen. Den lyse farve, der aktiverer den sædvanlige melanopsin-version, overlapper med den af ​​mange andre optogenetiske værktøjer - hvorfor de ikke kan bruges i kombination. "Jeg er overbevist om, at det vil være muligt at kombinere denne nye melanopsin-variant med andre optogenetiske værktøjer i fremtiden, for at kontrollere komplekse cellulære processer, siger Stefan Herlitze.

"I modsætning til traditionelle proteinteknologiske metoder baseret på trial-and-error, Vores tilgang sparer meget tid takket være automatiserede computerstøttede prognoser, der kan beregnes på flere computere på samme tid, " slutter Klaus Gerwert.