I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) hanno sviluppato una nuova strategia per la progettazione di proteine ​​sensibili alla luce. Tali proteine, noti anche come strumenti optogenetici, si accende e si spegne tramite impulsi luminosi, innescando così specifici processi cellulari. Loro possono, Per esempio, essere utilizzato per analizzare e controllare come i segnali vengono trasmessi dalle cellule nervose. Finora, i ricercatori che sviluppano strumenti optogenetici sono stati praticamente costretti a ricorrere a tentativi ed errori. Una combinazione di metodi sperimentali e assistiti da computer ha ora aperto la strada a un approccio più mirato.

In collaborazione con un collega di Münster, il team guidato dal professor Stefan Herlitze, Dipartimento di Zoologia Generale e Neurobiologia del RUB, e il professor Klaus Gerwert, Dipartimento di Biofisica del RUB, ha pubblicato un articolo sul metodo sulla rivista " Chebiochem ", dove è stato presentato come storia di copertina nell'edizione del 15 luglio 2019.

Accensione e spegnimento delle proteine ​​con luce di diversi colori

Un esempio di strumento optogenetico è la proteina melanopsina. Può essere acceso e spento da due segnali luminosi in diversi colori. "Spesso, è necessario più di un solo strumento optogenetico, ad esempio se in una cella si devono controllare due processi diversi indipendentemente l'uno dall'altro, " spiega Raziye Karapinar del Dipartimento di Zoologia Generale e Neurobiologia. "Dobbiamo quindi garantire che i segnali di colore per entrambi gli strumenti non si sovrappongano, " aggiunge il dottor Till Rudack, biofisico di Bochum.

Il team di ricerca di Klaus Gerwert e Stefan Herlitze ha sviluppato una strategia ibrida per l'ingegneria proteica mirata della melanopsina e altri strumenti optogenetici. A tal fine, i ricercatori hanno combinato metodi di calcolo computerizzati con misurazioni elettrofisiologiche.

La simulazione al computer determina l'attivazione del colore della luce

Utilizzando simulazioni al computer di chimica quantistica, hanno calcolato il colore della luce specifico richiesto per attivare una proteina. Così, hanno determinato come i singoli elementi costitutivi delle proteine ​​risp. lo scambio dei singoli mattoni proteici influisce sul colore della luce. La simulazione al computer ha generato un elenco di varianti proteiche che si qualificano come potenziali strumenti optogenetici. Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato misurazioni elettrofisiologiche per analizzare i candidati promettenti per quanto riguarda il loro potenziale optogenetico. Ciò include la sensibilità alla luce, cioè quanta luce è necessaria per accendere e spegnere la proteina, nonché la velocità e la selettività con cui i meccanismi vengono implementati o terminati dopo l'attivazione dell'interruttore. Un buon strumento optogenetico può essere acceso e spento in rapida successione a bassa intensità luminosa.

Convalida con uno strumento optogenetico ben studiato

Utilizzando lo strumento optogenetico ben studiato Channelrhodopsin-2, il team ha convalidato la nuova strategia ibrida. Per questa proteina, i ricercatori hanno utilizzato la simulazione al computer per verificare come uno scambio di elementi costitutivi proteici avrebbe influenzato l'attivazione del colore della luce. Le prognosi corrispondevano ai valori misurati negli esperimenti. "Questa partita mostra quanto sia affidabile la nostra strategia, e convalida anche la sua applicazione per proteine ​​di cui non sappiamo molto, come melanopsina, " dice il biofisico Dr. Stefan Tennigkeit.

Nuove varianti di melanopsina

Con la loro strategia, il gruppo ha scambiato specifici mattoni proteici nella melanopsina, manipolando così il colore della luce per l'attivazione della molecola, senza compromettere la funzione proteica. Il colore chiaro che attiva la consueta versione della melanopsina si sovrappone a quello di molti altri strumenti optogenetici, motivo per cui non possono essere utilizzati in combinazione. "Sono convinto che in futuro sarà possibile combinare questa nuova variante di melanopsina con altri strumenti optogenetici, al fine di controllare processi cellulari complessi, " dice Stefan Herlitze.

"A differenza dei metodi tradizionali di ingegneria proteica basati su prove ed errori, il nostro approccio consente di risparmiare molto tempo grazie a prognosi assistite da computer che possono essere calcolate su più computer contemporaneamente, " conclude Klaus Gerwert.