Con una nueva técnica para crear un espectro de tintes brillantes, los químicos ya no persiguen arcoíris.
El intercambio de bloques de construcción químicos específicos en moléculas fluorescentes llamadas rodaminas puede generar casi cualquier color que los científicos deseen - ROYGBIV y más allá, los investigadores informan el 4 de septiembre de 2017 en la revista Métodos de la naturaleza .
El trabajo ofrece a los científicos una forma de ajustar deliberadamente las propiedades de los tintes existentes, haciéndolos más audaces, más brillantes y más permeables a las células también. Una paleta de tintes tan expandida podría ayudar a los investigadores a iluminar mejor el funcionamiento interno de las células, dice el líder del estudioLuke Lavis, líder del grupo en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn, Virginia. Su equipo iluminó los núcleos celulares, hizo brillar los cerebros de las moscas de las larvas y destacó las neuronas de la corteza visual en ratones que tenían pequeñas ventanas de vidrio en sus cráneos.
Los científicos solían inventar diferentes tintes principalmente por prueba y error, dice Lavis. "Ahora, hemos descubierto las reglas y podemos hacer casi cualquier color". El método de su equipo podría permitir a los químicos sintetizar cientos de colores diferentes.
Una historia brillante
Hasta hace unos 20 años, los científicos dependían de tintes fluorescentes químicos para hacer visibles las moléculas biológicas. Para mirar dentro de las células, teñir orgánulos y otros experimentos de imágenes, "la química era el rey", escribió Lavis en una perspectiva del 13 de julio de 2017 en eldiario Bioquímica . Y luego, el rey fue expulsado del trono, por una proteína de medusa verde brillante llamada GFP.
En 1994, los científicos informaron el uso de un truco genético para agregar GFP, la proteína verde fluorescente, a otras proteínas celulares; es como forzar a las proteínas a sostener una barra luminosa. Ese truco les dio a los investigadores una forma más simple de rastrear los movimientos de las proteínasbajo un microscopio, sin usar colorantes sintéticos costosos. La innovación se extendió por el campo de las imágenes biológicas. En 2007, la mezcla de científicos de GFP y otras dos proteínas fluorescentes les permitió pintar las neuronas del ratón en un desfile de colores vivos en una técnica conocida como la"Brainbow". Un año después, el descubrimiento y desarrollo de GFP le valió el Premio Nobel de química a tres científicos, incluido el fallecido Roger Tsien, un investigador del HHMI.
Pero la GFP también tiene algunos lados oscuros. Es una molécula relativamente torpe construida a partir del conjunto limitado de aminoácidos naturales. Por lo tanto, la GFP no siempre es lo suficientemente brillante como para revelar lo que los científicos están tratando de ver.
Así que los investigadores volvieron a la química. Los científicos habían desarrollado microscopios de vanguardia y nuevas técnicas para etiquetar el contenido celular, dice Lavis, pero los tintes para marcar moléculas dentro de las células todavía estaban atrapados en el siglo XIX. Su equipo se centró en las rodaminas, porqueson especialmente brillantes y permeables a las células, por lo que se deslizan fácilmente dentro de las células y las hacen brillar.a naranja
Hasta hace poco, fabricar nuevas rodaminas no era fácil. Los científicos aún usaban técnicas de los primeros días de la química, hirviendo ingredientes químicos en ácido sulfúrico. Esto obliga a las moléculas a unirse en lo que se llama una reacción de condensación. Mezclar en diferentes bloques de construcciónpuede producir tintes nuevos e inusuales, pero los ingredientes tenían que ser lo suficientemente resistentes como para sobrevivir al baño de ácido hirviendo, lo que no dejaba muchas opciones.
Haz que brille
En 2011, el equipo de Lavis desarrolló una nueva forma de manipular la estructura de las rodaminas, en condiciones más suaves. Utilizando una reacción provocada por el paladio metálico, los investigadores pudieron omitir el paso ácido y construir tintes con bloques de construcción más complicados que los utilizadosantes de.
Este enfoque más amable y gentil abrió la puerta a un nuevo mundo de tintes, y el equipo de Lavis se zambulló. Cuatro años más tarde, revelaron los tintes Janelia Fluor, moléculas fluorescentes hasta 50 veces más brillantes que otros tintes, y también más estables.El secreto detrás de los tintes Janelia Fluor es un pequeño apéndice de forma cuadrada llamado anillo de azetidina, una estructura que solo es posible gracias al nuevo enfoque químico de Lavis.
Los científicos pueden usar una variedad de estrategias para obtener las moléculas de tinte brillante en la proteína que desean estudiar. Luego, pueden concentrarse en la proteína iluminada y verla moverse e interactuar con otras moléculas, sin elborrosidad de fondo habitual.
"Para nosotros, fue una revolución total en el campo de las imágenes de una sola molécula", dice el biólogo molecular Xavier Darzacq de la Universidad de California, Berkeley. Antes de usar los tintes Janelia Fluor, las proteínas del factor de transcripción con etiquetas fluorescentes de su equipolos estudios eran demasiado tenues para capturarlos en imágenes nítidas. Los investigadores tuvieron que mantener el obturador de la cámara abierto durante 10 milisegundos para recolectar suficiente luz. Eso es suficiente para que las proteínas vaguen, por lo que la imagen saldría borrosa, como una fotografía de un niño pequeño y retorcidoPero los tintes de Janelia son lo suficientemente brillantes como para que su equipo pueda capturar moléculas en acción en solo un milisegundo, dice Darzacq. Estas instantáneas rápidas le han permitido a su equipo hacer experimentos de laboratorio que describe como "simplemente impensables hace unos años".
Ahora, el grupo de Lavis ha descubierto cómo afinar sus tintes fluorescentes, ajustando aún más la estructura de las rodaminas. Las rodaminas tienen un diseño básico de cuatro anillos con grupos de átomos que sobresalen de diferentes partes de los anillos. En trabajos anteriores,los científicos desarrollaron estrategias para tintes de ajuste grueso: recorta un apéndice completo aquí, y puedes hacer un tinte verde. Coloca un átomo de silicio allí, y obtienes rojo. Lavis descubrió eso colocando cuidadosamente unos pocos átomos nuevosen la estructura del tinte, el color y las propiedades químicas de los tintes también se pueden ajustar, permitiendo muchos tonos de verde desde un solo andamio. Es como pasar del clásico paquete de ocho crayones a la caja gigante de 64.
En un documento separado, publicado el 9 de agosto de 2017 en la revista Ciencia Central de ACS , el equipo describió una forma de modificar el anillo inferior de la estructura del tinte.
"La clave es que todo es modular y racional", dice Lavis. Seleccione los átomos correctos, explica, y los químicos pueden diseñar tintes con casi cualquier propiedad que deseen.
Su grupo injertó diferentes productos químicos en rodaminas, y luego analizó las propiedades de los nuevos colorantes. "Nunca antes nadie había examinado las rodaminas de esta manera sistemática", dice el coautor principal Jonathan Grimm, científico principal de Janelia.
Los colorantes se sintetizan en un solo paso con ingredientes económicos, dice Lavis. Eso hace que los colorantes sean más baratos que las alternativas comerciales: centavos por vial. El bajo costo le ha permitido a su equipo compartir su trabajo con científicos de todo el mundo. Lavis, Grimmy sus colegas ahora han enviado miles de viales a cientos de laboratorios diferentes.
"Estos colorantes cambian completamente el juego", dice Ethan Garner, un biólogo de células bacterianas en la Universidad de Harvard que los ha usado para rastrear el camino de moléculas individuales en su laboratorio. El único inconveniente había sido que los científicos no teníanmuchos colores diferentes para elegir. Pero ahora, dice, con el trabajo de Lavis, "en realidad pueden cubrir todo el rango espectral".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Médico Howard Hughes . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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