Creature luminose come lucciole e meduse sono interessanti per i ricercatori, poiché le loro molecole bioluminescenti contribuiscono a visualizzare una serie di processi biologici. Ora, gli scienziati in Giappone hanno potenziato queste molecole, rendendoli centinaia di volte più luminosi nei tessuti profondi e consentendo l'imaging di cellule dall'esterno del corpo. La fonte di luce bioingegnerizzata è stata utilizzata per tracciare le cellule tumorali nei topi e l'attività delle cellule cerebrali nelle scimmie, ma le sue applicazioni si estendono oltre il laboratorio.

La bioluminescenza è il risultato di una partnership. Un enzima, in questo caso, luciferasi derivata dalle lucciole, catalizza il substrato D-luciferina, creando un bagliore verde-giallo nel processo. C'è stata una notevole ricerca per rendere questo processo più efficiente, Per esempio, sostituendo la luciferina con analoghi sintetici e migliorando la velocità di catalisi. Atsushi Miyawaki e colleghi hanno cercato di andare oltre, raffinare entrambi gli ingredienti per creare AkaBLI, un sistema di bioluminescenza completamente bioingegnerizzato per uso in vivo. La ricerca è stata pubblicata in Scienza .

Sulla base di lavori precedenti, i ricercatori sapevano che una luciferina sintetica chiamata AkaLumine-HCl è in grado di penetrare la barriera emato-encefalica e produrre una luce rossastra che è più facilmente visibile nei tessuti del corpo. Non era molto compatibile con la luciferasi naturale, però, quindi hanno successivamente mutato l'enzima per migliorare l'accoppiamento con AkaLumine-HCl. La risultante proteina Akaluc è sia un catalizzatore più efficiente per il substrato sia più abbondantemente espressa dalle cellule. Nel cervello del topo, questa combinazione di Akaluc che catalizza AkaLumine-HCl, soprannominato AkaBLI, ha prodotto un segnale di bioluminescenza 1000 volte più forte di quello della reazione naturale luciferasi-luciferina. Altrove nel corpo, solo una o due cellule luminose erano chiaramente visibili dall'interno del polmone del topo, qualcosa che potrebbe essere utile per monitorare le cellule trapiantate.

La bioluminescenza può essere introdotta facilmente e volontariamente includendo AkaBLI nell'acqua potabile degli animali, che dà il bagliore più persistente, anche se l'iniezione delle molecole ha prodotto una maggiore intensità. "Il miglioramento fondamentale, anche se, è l'applicabilità pratica per studi fisiologici in vivo, "dice Miyawaki.

Con AkaBLI, come l'attività e le strutture cerebrali cambiano con il comportamento può essere osservato direttamente nel tempo. In un esperimento in cui i topi sono stati esposti ad ambienti familiari e nuovi di gabbie, gli stessi neuroni nell'ippocampo potrebbero essere registrati per più giorni. "Questa è la prima volta che un insieme così piccolo di poche dozzine di neuroni profondi legati a uno specifico comportamento di apprendimento può essere visualizzato in modo non invasivo, " dice Miyawaki. E in una scimmia uistitì, i ricercatori sono stati in grado di monitorare i neuroni del cervello profondo per più di un anno utilizzando AkaBLI. Il potenziale di questo tipo di bioluminescenza stabile e di lunga durata per comprendere i circuiti neurali durante i comportamenti naturali, osserva Miyawaki, è promettente.