Ci stiamo avvicinando sempre di più all'uso della luce per aiutare a curare le malattie. La chiave è sfruttare il potere delle proteine ​​sensibili alla luce.

Il laboratorio di Kerfeld studia la proteina carotenoide arancione (OCP), unico per i cianobatteri (precedentemente noti come alghe blu-verdi), che sono organismi che sono prodigiosamente produttivi alla fotosintesi.

L'OCP e i suoi omologhi, proteggere i cianobatteri quando sono esposti a troppa luce solare, che altrimenti danneggerebbe i sistemi fotosintetici, e se estremo, danneggia la cellula stessa.

E proprio come la luce splendente innesca l'attività degli OCP, gli scienziati vogliono usare quella risposta per attivare ingegnerizzati, tecnologie sanitarie personalizzate.

Ma prima, dobbiamo capire come funzionano OCP e i suoi parenti, secondo Sigal Lechno-Yossef, un post-doc nel laboratorio di Kerfeld.

Nel suo ultimo studio, pubblicato in Il diario delle piante , Sigal mostra come interagiscono le due parti dell'OCP quando vengono divise. Riesce anche a creare nuovi, OCP sintetici mescolando e abbinando gli elementi costitutivi di diversi tipi di OCP presenti in natura.

Invertire l'evoluzione

In natura, le proteine ​​sono costituite da un numero limitato di domini – pensateli come blocchi di Lego – che si combinano in modi diversi.

L'OCP è composto da due blocchi, chiamato dominio C-terminale e dominio N-terminale, attraversato da un pigmento carotenoide che unisce le due parti.

Ecco come funzionano:

Sigal e i suoi colleghi del Kerfeld Lab sospettano che l'OCP, come lo conosciamo oggi, è il risultato dell'unione degli antenati dei due domini, milioni di anni fa. In evoluzione, i geni per le proteine ​​che lavorano in modo collaborativo a volte diventano permanentemente fusi in un singolo, proteine ​​più grandi.

Sigal ha invertito questo evento evolutivo in laboratorio - chiamalo devoluzione. "Volevamo comprendere meglio il processo di evoluzione dell'OCP dagli omologhi di dominio trovati oggi nei cianobatteri, " dice Sigal.

Gli scienziati hanno rotto il legame carotenoide di collegamento per dividere una proteina OCP. Quindi, hanno messo entrambi i domini in un host di prova per vedere se si sarebbero trovati l'un l'altro e si sarebbero connessi di nuovo, fondamentalmente ripercorrendo quello che pensavano fosse il processo evolutivo.

"Senza carotenoidi, le due parti rimasero separate. Una volta inserito il carotenoide, si sono attaccati l'uno all'altro. Fondamentalmente abbiamo creato più versioni sintetiche dell'OCP".

Le reazioni dell'OCP sintetico erano simili a quelle dei loro cugini naturali in presenza di luce. Ma per qualche ragione, probabilmente nei minimi dettagli delle loro strutture, solo una delle versioni sintetiche è tornata insieme al buio.

Come bonus, anche se i due domini OCP sono rimasti separati senza il bullone carotenoide, quella configurazione ha prodotto alcuni spunti interessanti.

"Nell'OCP, il dominio N-terminale si lega più fortemente al carotenoide, " dice Sigal. "Quando abbiamo isolato i domini, l'abbiamo trovato, il dominio C-terminale, quando da solo, può legarsi al carotenoide."

Le proteine ​​simili al dominio C-terminale sono diffuse nelle piante, batteri, e alcuni animali, che apre nuove possibilità per esplorare applicazioni ingegneristiche in una vasta gamma di organismi, oltre i batteri.

Usare la luce nella biologia sintetica

Cheryl Kerfeld, ricercatore principale presso il laboratorio di Kerfeld, ritiene che la conoscenza precisa delle strutture dei vari elementi costitutivi dell'OCP li renda particolarmente suscettibili di ingegneria.

L'obiettivo a lungo termine è utilizzare l'OCP e i suoi sottocomponenti separati in nuovi, sistemi sintetici, specificamente optogenici, una tecnica di recente sviluppo che utilizza la luce per controllare i processi nelle cellule viventi.

Optogenetica, evidenziato in un articolo di Science del 2010 su Breakthroughs of the Decade, " ci sta mostrando come funziona il cervello, come impariamo, o come ci svegliamo. Gli scienziati sperano che prendere di mira specifiche cellule cerebrali ci aiuti a curare il Parkinson o l'Alzheimer, anche combattere le malattie mentali.

proteine ​​fotosensibili, simile all'OCP, sono fondamentali per attivare e controllare gli eventi nelle applicazioni optogenetiche. Sebbene l'OCP debba ancora essere provato in una specifica applicazione optogenetica, il Kerfeld Lab pensa che le loro proprietà li rendano probabilmente utili.

"Gli OCP rispondono più velocemente alla luce, rispetto alle attuali proteine ​​sensibili alla luce utilizzate negli esperimenti optogenetici, " Dice Sigal. "Sono anche così flessibili nel modo in cui si rompono e tornano insieme. Sono un ottimo candidato".

lei aggiunge, "Ora che abbiamo dimostrato di poter realizzare OCP ibridi artificiali, abbiamo una gamma più ampia di opzioni." Ad esempio, se un paziente richiede più dosi di medicinale, la loro assunzione potrebbe essere controllata con un OCP sintetico che monta e smonta per controllare i dosaggi.

O, I domini OCP possono essere utilizzati separatamente, Per esempio, come kill switch per trattamenti che richiedono dosi singole, al contrario di cicli multipli.

"Siamo ancora nella fase teorica di immaginare applicazioni, ma non siamo lontani da dove possiamo iniziare a sperimentare con i sistemi sintetici."