Los científicos de la Universidad de Rice han sofocado efectivamente un debate sobre el mecanismo detrás de un biosensor fluorescente que monitorea las neuronas al detectar cambios en el voltaje.
El trabajo dirigido por el químico teórico de Rice Peter Rossky y la investigadora postdoctoral Lena Simine confirmó a través de simulaciones por computadora su teoría de que un proceso mecánico controla el apagado de la fluorescencia en ArcLight, un indicador de voltaje sintético colocado dentro de las proteínas que recubren las membranas internas de las neuronas.
A través de sus modelos, los investigadores combinaron tanto el mecanismo como la fluorescencia con la fuerza de los campos eléctricos que observaron a través del cromóforo, la parte fluorescente de la proteína. Sus resultados mostraron que una medida simple del campo en una simulación podría usarse para predecirRossky dijo que si los sensores fluorescentes nuevos se comportarán bien y qué tan bien se comportarán antes
El estudio aparece en el Revista de la Sociedad Americana de Química .
ArcLight, desarrollado por el neurocientífico de Yale Vincent Pieribone en 2012, es una proteína indicadora de voltaje de fluorescencia codificada genéticamente. Contiene una mutación que hace que la señal de fluorescencia se atenúe cuando el voltaje aumenta y se ilumina cuando cae el voltaje. Eso lo hace útil para rastrear señales en elsistema nervioso al expresar la proteína en las neuronas y ver cómo se iluminan.
La proteína está unida a la pared celular de la neurona por un componente sensor de voltaje que mueve algunos angstroms cuando una señal de otra neurona cambia la carga eléctrica en la membrana. Los investigadores de Rice teorizaron que el movimiento tira de la proteína contra la membrana, comprimiendoy apagar la fluorescencia.
Rossky dijo que al cambiar la forma de la proteína se acercan dos residuos un nanómetro entre sí. Eso es suficiente para determinar cómo el cromóforo elimina la energía, ya sea como luz al renunciar a los fotones y fluorescentes o como calor.
"Tenemos la hipótesis de qué cambio de geometría ocurre en la proteína como resultado de la respuesta de la membrana", dijo Rossky. "Y luego preguntamos, '¿Esto cambia la fluorescencia?' Y descubrimos que sí. Además,demostramos que monitorear una calidad mucho más simple, el campo eléctrico a lo largo de dos ejes de donde proviene la fluorescencia, es suficiente para describir completamente la respuesta ".
ArcLight demostró ser un buen modelo. Pieribone, un colaborador de Rice, dijo a los asistentes a una conferencia de 2014 en Rice que ni siquiera él sabía exactamente cómo funcionaba. La conferencia inspiró a Simine, que acababa de llegar a Rice, a embarcarsesobre un estudio del mecanismo.
"Pensé, 'Eso suena como un buen proyecto para mí'", dijo.
Trabajar con investigadores del grupo de José Onuchic en el Centro de Física Biológica Teórica CTBP de Rice permitió a Simine, un físico químico capacitado, aprovechar la experiencia del centro en la simulación de proteínas para pruebas.
Dijo que un largo debate entre los científicos no pudo determinar si las propiedades mecánicas o eléctricas de las proteínas causaron su fluorescencia. Resultó ser un poco de ambas.
"Un artículo reciente dio evidencia computacional de que es predominantemente electrostática, y tiene sentido porque la proteína es muy blanda", dijo Simine. "También pensamos que esas mutaciones se adhieren a la membrana, y cuando lo hacen, la proteína estála orientación permite que la proteína se comprima ". Encontró que los cambios electrostáticos en la membrana neuronal desencadenaron el cambio físico que apaga la fluorescencia, pero también dejó un rastro eléctrico en la proteína que se pudo observar en la simulación.
"Pensamos un poco en ello y se nos ocurrió una coordenada de reacción", dijo. "Podemos tomar cualquier mutación de la secuencia de esta proteína y traducirla en dos números que son las entradas para este modelo, los campos electrostáticosalrededor del cromóforo. Es una teoría fenomenológica agradable y elegante ".
El laboratorio planea probar su técnica en proteínas fluorescentes sintetizadas a medida y simulaciones coincidentes para ver si su teoría y experimentación continúan alineándose. Si lo hacen, esperan que sus modelos sean muy útiles para los biólogos sintéticos que crean nuevas clases de marcadores fluorescentes.
"Si quieres saber la fluorescencia de una molécula determinada, haz el experimento", dijo Rossky. "Pero si quieres saber por qué funciona, estos cálculos son increíblemente valiosos".
Los coautores del artículo son el compañero posdoctoral de Rice, Heiko Lammert, la estudiante graduada Li Sun y Onuchic, la cátedra de física Harry C. y Olga K. Wiess de Rice, profesora de física y astronomía y codirectora del CTBP.Rossky es la Cátedra Harry C. y Olga K. Wiess de Rice en Ciencias Naturales, profesora de química y decana de la Facultad de Ciencias Naturales de Wiess.
La National Science Foundation y su Extreme Science and Engineering Discovery Environment y el CTBP apoyaron la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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