Un'illustrazione mostra il cavo che collega il dominio fluorescente di una proteina ArcLight (verde e grigio) al suo dominio di rilevamento del voltaggio (arancione) nella membrana di un neurone. Gli scienziati del riso suggeriscono in un nuovo studio che la depolarizzazione della membrana sposta il dominio di rilevamento del voltaggio, che a sua volta comprime la proteina fluorescente e la spegne. Credito:Lena Simine
Gli scienziati della Rice University hanno efficacemente chiuso un dibattito sul meccanismo alla base di un biosensore fluorescente che monitora i neuroni rilevando i cambiamenti di tensione.
Il lavoro condotto dal chimico teorico della Rice Peter Rossky e dalla ricercatrice post-dottorato Lena Simine ha confermato attraverso simulazioni al computer la loro teoria secondo cui un processo meccanico controlla l'estinzione della fluorescenza in ArcLight, un indicatore di tensione sintetico posto all'interno di proteine che rivestono le membrane interne dei neuroni.
Attraverso i loro modelli, i ricercatori hanno accoppiato sia il meccanismo che la fluorescenza alla forza dei campi elettrici che hanno osservato attraverso il cromoforo, la parte fluorescente della proteina. I loro risultati hanno mostrato che una semplice misura del campo in una simulazione potrebbe essere utilizzata per prevedere se e quanto bene si comporteranno i nuovi sensori fluorescenti prima che i ricercatori li sintetizzano, ha detto Rossky.
Lo studio appare in Giornale della Società Chimica Americana .
Luce dell'arco, sviluppato dal neuroscienziato di Yale Vincent Pieribone nel 2012, è una proteina indicatrice di tensione di fluorescenza geneticamente codificata. Contiene una mutazione che rende il segnale di fluorescenza debole quando la tensione aumenta e si illumina quando la tensione diminuisce. Ciò lo rende utile per tracciare i segnali nel sistema nervoso esprimendo la proteina nei neuroni e vedendo come si accendono.
La proteina è legata alla parete cellulare del neurone da un componente sensibile al voltaggio che si muove di alcuni angstrom quando un segnale proveniente da un altro neurone modifica la carica elettrica nella membrana. I ricercatori di Rice hanno teorizzato che il movimento spinge la proteina contro la membrana, comprimendolo e spegnendo la fluorescenza.
Rossky ha detto che cambiare la forma della proteina avvicina due residui di un nanometro l'uno all'altro. Questo è abbastanza per dettare come il cromoforo si libera dell'energia, o come luce (cedendo fotoni e fluorescenti) o come calore.
"Abbiamo ipotizzato quale cambiamento di geometria si verifica nella proteina come risultato della risposta della membrana, " ha detto Rossky. "E poi abbiamo chiesto, "Questo cambia la fluorescenza?" E abbiamo scoperto che lo fa. Inoltre, abbiamo dimostrato che il monitoraggio di una qualità molto più semplice, il campo elettrico lungo i due assi da cui proviene la fluorescenza, è sufficiente per descrivere completamente la risposta".
La proteina nativa ArcLight a sinistra, con residui di ancoraggio a 2,5 nanometri di distanza, fluorescente quando attivato dalla luce alla giusta frequenza. Ma la fluorescenza si spegne quando la proteina viene compressa, che avvicina le ancore di un nanometro. I ricercatori di Rice hanno scoperto un legame tra il meccanismo e un segnale elettrico nella proteina che può essere utilizzato come marcatore durante la simulazione di nuove proteine fluorescenti con modelli al computer. Credito:Lena Simine
ArcLight si è rivelato un buon modello. Pieribone, un collaboratore di Riso, ha detto ai partecipanti a una conferenza del 2014 alla Rice che nemmeno lui sapeva esattamente come funzionasse. La conferenza ha ispirato Simine, che era appena arrivato a Rice, intraprendere uno studio del meccanismo.
"Ho pensato, 'Mi sembra un buon progetto, '" lei disse.
Lavorare con i ricercatori del gruppo di José Onuchic al Rice's Center for Theoretical Biological Physics (CTBP) ha permesso a Simine, un fisico chimico di formazione, sfruttare l'esperienza del centro nella simulazione di proteine per il test.
Ha detto che un dibattito decennale tra scienziati non è riuscito a determinare se le proprietà meccaniche o elettriche delle proteine hanno causato la loro fluorescenza. Si è rivelato essere un po' di entrambi.
"Un recente articolo ha fornito prove computazionali del fatto che sia prevalentemente elettrostatico, e ha senso perché la proteina è molto morbida, " Ha detto Simine. "Abbiamo anche pensato che quelle mutazioni si attaccassero alla membrana, e quando lo fanno, l'orientamento della proteina consente alla proteina di essere compressa." Ha scoperto che i cambiamenti elettrostatici alla membrana neuronale hanno innescato il cambiamento fisico che spegne la fluorescenza, ma ha anche lasciato una traccia elettrica nella proteina che poteva essere osservata nella simulazione.
"Ci abbiamo riflettuto e abbiamo trovato una coordinata di reazione, " ha detto. "Possiamo prendere qualsiasi mutazione della sequenza di questa proteina e tradurla in due numeri che sono gli input per questo modello, i campi elettrostatici intorno al cromoforo. è un bel elegante teoria fenomenologica."
Il laboratorio prevede di testare la sua tecnica su proteine fluorescenti sintetizzate su misura e simulazioni di abbinamento per vedere se la loro teoria e sperimentazione continuano ad allinearsi. Se lo fanno, si aspettano che i loro modelli saranno molto utili per i biologi sintetici che realizzano nuove classi di marcatori fluorescenti.
"Se vuoi conoscere la fluorescenza di una data molecola, fai l'esperimento, " ha detto Rossky. "Ma se vuoi sapere perché funziona, questi calcoli sono incredibilmente preziosi."
