Optogenetica, l'approccio all'uso della luce per controllare i processi chiave, ha rivoluzionato il modo in cui i ricercatori studiano le vie di segnalazione cellulare, comportamento cellulare e la funzione dei tessuti grandi e interconnessi come il cervello. Questa combinazione di grande successo di ottica e genetica è alimentata da proteine ​​sensibili alla luce, molti dei quali sono stati progettati per legarsi tra loro in seguito a stimolazione luminosa. Una nuova ricerca degli scienziati dell'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) amplia questa cassetta degli attrezzi per le proteine ​​optogenetiche. Nello studio del gruppo di Harald Janovjak, guidato dalla prima autrice e dottoranda Stephanie Kainrath, e colleghi del Children's Cancer Research Institute di Vienna, pubblicato oggi in Angewandte Chemie , gli autori dimostrano il rilascio del legame quando esposti alla luce verde.

L'applicazione della luce come stimolo ha consentito ai ricercatori di manipolare il comportamento cellulare in spazi definiti e in tempo reale, aprendo così le porte a nuovi tipi di esperimenti. Il metodo ha, però, fiorito in quei casi in cui le parti proteiche fotosensibili, chiamati domini proteici, hanno risposto alla luce legandosi l'un l'altro. Il binding attiva la segnalazione. Per garantire che la segnalazione rimanga attiva, le cellule, i tessuti o gli animali oggetto di studio devono rimanere alla luce. Ma l'esposizione costante alla luce comporta dei rischi:si osservano comunemente sbiancamento ed effetti collaterali tossici della luce.

Kainrath e colleghi offrono una via d'uscita poiché hanno riproposto i domini sensibili alla luce che rilasciano la loro interazione in risposta alla luce. Come conseguenza, i ricercatori possono ora lasciare il loro oggetto di studio al buio per indurre la segnalazione, e spostalo alla luce in un preciso momento per interrompere la segnalazione. La prima autrice Stephanie Kainrath spiega il significato della ricerca:"Il nostro lavoro è stato ispirato dal desiderio di imitare segnali biologici sempre attivi, come quelli che guidano la crescita di alcuni tumori. Con il nostro nuovo strumento possiamo anche spegnere rapidamente tali segnali. Ciò consente nuovi approcci sia negli studi su cellule che sugli animali".

Lo strumento di nuova concezione è particolarmente versatile in quanto risponde alla luce nella parte verde dello spettro della luce visibile. Ciò è possibile in quanto i domini riutilizzati, chiamati domini leganti la cobalamina (vitamina B12) (CBD), utilizzare la vitamina B12 per la loro risposta leggera. Solo di recente è stato realizzato che la vitamina B12 non è solo essenziale per la funzione del corpo umano, ma è anche utilizzata nei batteri come sensore di luce. Kainrath e colleghi dimostrano l'uso di questi domini collegandoli a una proteina recettore dei vertebrati chiamata recettore 1 del fattore di crescita dei fibroblasti (FGFR1). Normalmente una parte di questi recettori raggiunge l'esterno della cellula dove può catturare i fattori di crescita dei fibroblasti, facendo sì che due recettori si leghino l'uno all'altro e attivino la segnalazione all'interno della cellula. Le proteine ​​FGFR1 optogenetiche ingegnerizzate si legano l'una all'altra al buio tramite i CBD e attivano la segnalazione. Solo in luce verde, la legatura viene rilasciata e la segnalazione cessa.

Gli esperimenti sugli embrioni di zebrafish mostrano il potenziale di questo nuovo approccio per gli studi sugli animali. Gli embrioni di zebrafish modificati per produrre il recettore ingegnerizzato e tenuti al buio mostrano gli stessi difetti di sviluppo degli embrioni in cui la segnalazione è sempre attiva, una situazione che somiglia ai disordini umani. Al contrario, gli embrioni a cui è stato permesso di svilupparsi in luce verde erano normali, senza difetti di sviluppo. Per Martin Distel, coautore e leader del gruppo presso il Children's Cancer Research Institute, Vienna, il recettore è uno strumento utile per affrontare la dipendenza da oncogeni, il tallone d'Achille di alcuni tumori:"La dissociazione dei complessi proteici mediata dal CBD e controllata dalla luce verde è una risorsa utile nella cassetta degli attrezzi optogenetica. Per potenziali applicazioni nella ricerca sul cancro si potrebbe pensare alla dipendenza da oncogeni. Attivazione aberrante di segnali come quelli legati a Gli FGF ora possono essere spenti rapidamente e dall'esterno con la luce per indagare sulle conseguenze sul comportamento cellulare".

Harald Janovjak e il suo gruppo lavorano nel nuovo campo della fisiologia sintetica, che affronta problemi biologici complessi con l'approccio del “costruirlo per capirlo”. Stephanie Kainrath è entrata a far parte del programma di dottorato di IST Austria nel 2015. Dopo aver superato l'esame di abilitazione nel dicembre 2016, Stephanie ora persegue la ricerca per il suo dottorato nel gruppo di Harald Janovjak.