Schemi del meccanismo di clustering CRY2PHR attivato dalla luce blu. In questo sistema optogenetico, Il clustering CRY2 (blu e rosa) è controllato in modo reversibile dalla luce blu. Se CRY2 è legato a proteine fluorescenti (verde), i tempi e le caratteristiche del clustering possono essere visualizzati e misurati al microscopio confocale. Gli scienziati ipotizzano che se le proteine fluorescenti sono preassemblate in coppie o piccoli gruppi (b), la tecnica porta a cluster fluorescenti più grandi. Credito:Istituto per le scienze di base
Una delle sfide attuali in biologia è comprendere i fenomeni in rapida evoluzione. interessante, solo una piccola parte di essi è dovuta a proteine che agiscono isolatamente, la maggior parte degli eventi biologici è regolata da proteine che agiscono insieme in cluster. Ricercatori del Centro per la Cognizione e la Socialità, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), hanno sviluppato un nuovo strumento, chiamato "CRY2clust", per innescare la formazione di cluster proteici in risposta alla luce blu. Questa nuova tecnica ha un tasso di risposta molto più veloce e una maggiore sensibilità alla luce rispetto ai metodi esistenti. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , questo nuovo strumento potrebbe far progredire la nostra comprensione su innumerevoli meccanismi molecolari e cellulari.
CRY2clust si basa su una proteina fotorecettore chiamata criptocromo 2 (CRY2), derivato dalla pianta Arabidopsis thaliana. CRY2 media la crescita e lo sviluppo delle piante, e più specificamente, una parte di CRY2, nota come regione di omologia della fotoliasi CRY2 (CRY2PHR), fa sì che questa proteina si assembla in risposta alla porzione blu della luce solare.
Le caratteristiche di CRY2PHR hanno già attirato l'attenzione degli scienziati, che ne ha fatto uno strumento per l'optogenetica, una tecnica innovativa basata sulla biologia e sull'ottica che permette il controllo artificiale degli eventi biologici con la luce laser. Grazie all'optogenetica, attività cellulari ben definite possono essere facilmente attivate e disattivate in luoghi e orari specifici. Per esempio, proteine di interesse legate a CRY2PHR si uniscono in presenza di luce blu e si disassemblano quando la luce è spenta, determinando diversi effetti biologici. Però, gli scienziati hanno riferito che l'efficienza di questo sistema varia notevolmente a seconda del tipo di proteine bersaglio legate a CRY2PHR, limitandone l'uso. Il team di IBS ha cercato di migliorarlo:"La struttura 3D di CRY2 non è stata ancora definita, quindi abbiamo provato diverse strategie per capire come funziona all'interno delle cellule e per renderlo più efficiente, " spiega KIM Na Yeon, uno studente di dottorato nel team.
Confronto tra OPTOSTIM1 originale (con CRY2PHR) e OPTOSTIM1 con il nuovo CRY2clust. In questo esperimento, CRY2PHR o CRY2clust di nuova concezione erano legati a una proteina che regola l'apertura dei canali del calcio sulla cellula. La luce blu induce questo regolatore del canale del calcio a raggrupparsi e di conseguenza i canali del calcio si aprono. L'analisi dell'assunzione di calcio da parte delle cellule ha mostrato che il nuovo CRY2clust è due volte più veloce. Maggiore intensità (giallo-bianco) significa che più calcio è entrato nella cellula.
Il nuovo strumento optogenetico sviluppato dai ricercatori IBS, CRY2clust, consiste di CRY2PHR più 9 residui di amminoacidi, che sono stati progettati per massimizzare le sue prestazioni. Rispetto ad altri sistemi optogenetici derivati da CRY2, come CRY2olig, CRY2clust innesca un'associazione e una dissociazione più rapida delle proteine, quando la luce è accesa e spenta, rispettivamente. È funzionale a un'intensità di luce blu più bassa (90 microwatt/mm2). Inoltre, poiché non si accumula nelle strutture nucleari, chiamate macchie nucleari, potrebbe essere utile studiare i processi nucleari.
Il team ha applicato con successo CRY2clust a due strumenti optogenetici disponibili:OptoSTIM1 e Raf1. Nel 2015, lo stesso centro di ricerca IBS ha creato un regolatore a luce controllata dei canali del calcio, OptoSTIM1, e l'ho usato per migliorare la memoria del mouse. In entrambi i casi, la sostituzione di CRY2PHR con CRY2clust ha aumentato la velocità e le prestazioni dei sistemi.
"Abbiamo presentato un nuovo strumento optogenetico dinamico per studiare l'omo-oligodimerizzazione delle proteine, che è raggruppamento, che potrebbe essere utile per il toolkit del biologo, " conclude il Prof. HEO Won Do, l'autore principale di questo studio. Il team sta ora lavorando allo sviluppo di nuovi sistemi optogenetici da utilizzare nelle neuroscienze.
