La capacità di sradicare selettivamente tipi specifici di cellule da organismi multicellulari consente agli scienziati di decifrare le funzioni di quelle cellule, ma gli strumenti disponibili per farlo, siano essi chirurgici, chimico, o genetici, sono imprecisi e tutt'altro che ideali. Ora, ingegneri proteici e neurobiologi della UC San Francisco si sono uniti per creare una spada laser biologica, una proteina ingegnerizzata in grado di uccidere cellule specifiche semplicemente esponendole alla luce.

Tali tecniche di ablazione cellulare sono state particolarmente importanti nelle neuroscienze. Alcune delle prime intuizioni sulla funzione cerebrale si basavano su osservazioni di pazienti che presentavano lesioni specifiche in diverse aree del cervello. Gli scienziati hanno successivamente sviluppato metodi precisi per emulare tali "esperimenti in natura, " asportazione di particolari cellule o tessuti al fine di sezionare la loro normale funzione. Più recentemente, i ricercatori hanno utilizzato ablazioni laser, tossine geneticamente innescate, e persino interruttori a base di luce che attivano gli agenti ossidanti su una follia omicida. Ma queste tecniche mancano di precisione e di solito creano più danni, anche da infiammazione, di quanto sia necessario.

Il nuovo studio—da pubblicare durante la settimana dell'11 settembre 2017 nella prima edizione online di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS )—riporta che la proteina, che gli scienziati hanno soprannominato "Caspase-LOV, " usa la luce per sfruttare l'apoptosi, una via naturale di "suicidio cellulare" attraverso la quale le cellule possono innescare la propria morte in determinate circostanze.

Caspase-LOV, ideato in esperimenti condotti dalla studentessa Ashley Smart, è così chiamato perché collega LOV (dominio di rilevamento della tensione di ossigeno-luce), un sensore di luce molecolare derivato dall'avena, alla caspasi-3, la versione umana di un enzima cruciale per l'apoptosi.

Poiché l'apoptosi è un processo biologico fondamentale, impiegato durante il normale sviluppo per potare le cellule non necessarie, e per smaltire quelli difettosi, è nitidissimo e induce un pulito, forma non infiammatoria di morte cellulare. Quando le cellule sono gravemente danneggiate, rovesciano tutto il loro contenuto, ma le cellule apoptotiche si restringono e vengono assorbite dalle cellule vicine o dalle cellule immunitarie:la fine del gioco della caspasi è una morte cellulare ordinata senza alcuna infiammazione del tessuto circostante.

"I caspasi sono come gli esperti di demolizione, " ha detto James A. Wells, dottorato di ricerca, professore e cattedra di chimica farmaceutica presso la UCSF School of Pharmacy, e co-autore senior del nuovo studio "Sanno dove mettere esplosivi in ​​un ponte per abbatterlo senza dover usare un'arma nucleare. Uno dei motivi per usare le caspasi per uccidere è perché lo fanno in modo molto pulito —a differenza dell'ablazione delle cellule con laser o chirurgia, che è disordinato e non preciso, questo porta a un processo di rimozione del cadavere che la natura sa come affrontare, senza alcun danno collaterale al tessuto."

Smart e Wells sono stati uniti nello studio dal co-autore senior Graeme "Grae" Davis, dottorato di ricerca, l'Albert Bowers Professor e presidente del Dipartimento di Biochimica e Biofisica dell'UCSF, e membro dell'UCSF Kavli Institute for Fundamental Neuroscience.

Poiché la luce penetra facilmente negli embrioni del moscerino della frutta Drosophila, gli autori ritengono che Caspase-LOV sarà immediatamente utile ai laboratori, come quello di Davis, che studiano questo importante organismo modello, ma hanno detto che lo strumento potrebbe eventualmente essere utilizzato anche in altri organismi, come i topi, utilizzando fibre ottiche per illuminare ed eliminare con precisione le cellule.

L'interruttore di morte cellulare Caspase-LOV funziona in modo semplice ed elegante. Gli scienziati possono decidere in anticipo quali tipi di cellule porteranno Caspase-LOV, e controlla anche quando la luce colpisce quelle cellule per indurre l'apoptosi. Il team ha dimostrato nel loro nuovo studio, Per esempio, che quando il Caspase-LOV è stato espresso nei motoneuroni del moscerino della frutta, quei neuroni sono morti per esposizione alla luce, influenzando così la capacità delle mosche di muoversi. Allo stesso modo, il team è stato in grado di ablare selettivamente cellule specifiche nella retina semplicemente esponendo gli occhi composti del moscerino della frutta alla luce.

Poiché la durata dell'esposizione alla luce è direttamente correlata con l'entità della morte cellulare, Wells ha detto, Caspase-LOV potrebbe essere un potente strumento per esplorare i meccanismi della neurodegenerazione, un processo che si verifica per un lungo periodo di tempo nelle malattie umane come l'Alzheimer e il Parkinson.

"Siamo entusiasti di questo, "disse Wells, anche l'Harry Wm. e Diana V. Hind Distinguished Professor di Scienze Farmaceutiche alla UCSF. "Ci sono già un paio di laboratori che lo usano, e penso che ne seguiranno altri ora che abbiamo pubblicato questi risultati".