Quando lo scienziato senior Jonathan Grimm arrivò a Janelia 13 anni fa, non sapeva molto di fluorescenza o coloranti fluorescenti. Ma come chimico organico che aveva lavorato nella scoperta di farmaci presso Merck, sapeva sicuramente una o due cose sulla chimica medicinale.
Per capriccio, Grimm e Luke Lavis, leader del gruppo senior di Janelia, decisero di provare a utilizzare una reazione fondamentale della chimica medicinale che Grimm aveva raccolto nell'industria farmaceutica per migliorare la chimica dei coloranti secolare. Pensavano che questo approccio potesse consentire l'accesso a rodamine completamente nuove e precedentemente inaccessibili:molecole che Lavis stava lavorando per rendere più luminose e durature in modo che potessero essere utilizzate per ottenere immagini migliori delle cellule sotto potenti microscopi.
Il risultato fu l’inizio di quelli che sarebbero diventati gli ormai onnipresenti e indispensabili coloranti Janelia Fluor, sonde fluorescenti luminose, fotostabili e permeabili alle cellule che consentono ai biologi di vedere le molecole all’interno delle cellule. A più di dieci anni dalla loro presentazione, questi coloranti fluorescenti che abbracciano lo spettro dei colori sono diventati un punto fermo nei laboratori di biologia di tutto il mondo.
Utilizzando un approccio simile, Grimm, Lavis e i loro collaboratori hanno ora pubblicato il culmine dei loro anni di lavoro sul Journal of the American Chemical Society :una raccolta completa di coloranti fluorescenti aggiuntivi a base di rodamina:una serie completamente nuova di coloranti spostati nel rosso lontano che possono penetrare più in profondità nei tessuti e sono utili per l'imaging in vivo, rendendoli di vitale importanza per i biologi.
Il team ha anche condiviso il proprio approccio:la nuova chimica sviluppata per sintetizzare i coloranti e informazioni che forniscono una tabella di marcia per la progettazione delle sonde future.
"Lungo il percorso, abbiamo applicato, modificato o inventato modi totalmente nuovi per produrre rodammine che hanno una portata piuttosto ampia e che ci hanno permesso di produrre così tanti coloranti in tempi relativamente brevi", afferma Grimm. "Questo è probabilmente il lavoro più completo che abbiamo svolto finora con la rodammina."
L'ultimo progetto è iniziato all'inizio della pandemia di COVID-19 all'inizio del 2020. Il team aveva appena pubblicato una ricerca che descriveva in dettaglio la nuova chimica utilizzata per espandere la tavolozza dei coloranti Janelia Fluor.
Successivamente, volevano vedere se potevano applicare ciò che avevano imparato sull'ottimizzazione dei coloranti Janelia Fluor ad altri tipi di coloranti a base di rodamina, migliorando al tempo stesso ulteriormente la chimica utilizzata per sintetizzarli.
Mentre il mondo chiudeva, Grimm e Lavis pianificarono una nuova chimica, comprese reazioni chimiche completamente nuove, che cercavano di incorporare razionalmente le lezioni apprese dai coloranti Janelia Fluor in altre rodamine classiche ma non ottimali.
Pochi mesi dopo, Grimm tornò in laboratorio e iniziò a vedere se il loro lavoro su carta potesse tradursi nel mondo reale, e talvolta imprevedibile, della chimica organica. Con le precauzioni COVID in atto, Grimm ha lavorato da solo in laboratorio, ottimizzando la chimica e creando i primi nuovi coloranti.
"Probabilmente sarebbe successo comunque, ma nel bene e nel male, quando non c'era nient'altro su cui concentrarsi, o le cose su cui concentrarsi erano brutte, come lo è stato il 2020 per tutti, la chimica era una bella distrazione", dice Grimm. /P>
La nuova ricerca presenta il culmine del lavoro del team negli ultimi tre anni e più. A differenza dei tradizionali coloranti Janelia Fluor, che sono caratterizzati da un'appendice chiamata anello di azetidina, gli altri coloranti a base di rodamina hanno sostituenti diversi che sporgono da altre parti delle loro strutture molecolari.
Forte delle conoscenze derivanti dall'ottimizzazione dei coloranti JF, il team ha modificato queste altre aree sui coloranti rodamina più vecchi per alterarne il colore, la luminosità, la fotostabilità, la permeabilità cellulare e altre caratteristiche.
Il risultato è una serie completamente nuova di coloranti a base di rodamina per l'imaging. Il team è stato anche in grado di ideare diversi nuovi modi per realizzare i classici coloranti alla rodamina, consentendo loro di creare dozzine di versioni funzionali in tempi relativamente brevi.
"Sapevamo da molto tempo come il cambiamento della funzionalità sulla" parte superiore "della molecola influenzi i colori dei fluorofori, ma abbiamo anche capito che ciò influisce fortemente sulle proprietà chimiche del colorante", afferma Lavis. "Lo abbiamo sfruttato in diversi modi per creare agenti di imaging luminosi e con spostamento verso il rosso."
Anche se questa non è la fine della storia dei coloranti alla rodamina, il lavoro probabilmente si sta muovendo in una direzione diversa. Ora il team è concentrato sulla progettazione di reagenti specificatamente adattati per l'uso da parte dei propri collaboratori biologi, lavorando per costruire i migliori strumenti possibili con le conoscenze acquisite.
"Possiamo produrre qualsiasi colorante alla rodamina che vorremmo con questa chimica, e quindi la grande domanda è cosa faremo dopo", dice Lavis. "La questione non è cosa possiamo fare, ma cosa dovremmo fare."
Grimm afferma che lo sviluppo di questo ampio set di rodamine, che ha richiesto più di un decennio, è una testimonianza del sostegno di HHMI Janelia agli sforzi a lungo termine che sono vantaggiosi per la più ampia comunità scientifica. Avere posizioni di scienziato permanente presso Janelia consente inoltre a Grimm e ad altri scienziati senior di fornire continuità a un grande progetto come i coloranti Janelia Fluor. Quattro dei ricercatori della pubblicazione più recente erano anche coinvolti nel primissimo articolo sul colorante con rodamina pubblicato dal laboratorio nel 2011.
Per Grimm, significa anche che può fare ciò che ama:lavorare in laboratorio, fare chimica e creare strumenti utili ai biologi. E, più di 13 anni dopo, ha anche imparato un paio di cose sui coloranti fluorescenti.
"È molto soddisfacente avere questa sequenza temporale di documenti che mostrano tutto ciò che abbiamo fatto nel corso degli anni, e tutto è iniziato con una sola reazione casuale basata su un piccolo calcolo fatto da Luke, che a sua volta è stato reso possibile da un metodo sintetico che ci è capitato di perseguire, per capriccio, semplicemente per rendere la sintesi dei coloranti un po' più semplice," dice Grimm. "Anche se un calcolo sembra ottimo, non sempre funziona in questo modo. In questo caso, è stato perfetto e ha sicuramente dato i suoi frutti."
Ulteriori informazioni: Jonathan B. Grimm et al, Coloranti ottimizzati per l'assorbimento del rosso per l'imaging e il rilevamento, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05273
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito da Howard Hughes Medical Institute
