Investigadores de la Ruhr-Universität Bochum RUB han desarrollado una nueva estrategia para diseñar proteínas sensibles a la luz. Estas proteínas, también conocidas como herramientas optogenéticas, pueden activarse y desactivarse mediante impulsos de luz, lo que desencadena procesos celulares específicos.Pueden, por ejemplo, usarse para analizar y controlar cómo las células nerviosas transmiten las señales. Hasta ahora, los investigadores que desarrollan herramientas optogenéticas se han visto obligados a recurrir al ensayo y error. Una combinación de métodos asistidos por computadora y experimentales.ahora ha allanado el camino para un enfoque más específico.
En colaboración con un colega de Münster, el equipo encabezado por el profesor Stefan Herlitze, Departamento de Zoología y Neurobiología General de RUB, y el Profesor Klaus Gerwert, Departamento de Biofísica de RUB, ha publicado un artículo sobre el método en la revista " Chembiochem , "donde apareció como portada en la edición del 15 de julio de 2019.
Encender y apagar proteínas con luz en diferentes colores
Un ejemplo de una herramienta optogenética es la proteína melanopsina. Se puede encender y apagar mediante dos señales luminosas en diferentes colores. "A menudo, se requiere más de una herramienta optogenética, por ejemplo, si se deben controlar dos procesos diferentesen una celda independientemente uno del otro ", explica Raziye Karapinar del Departamento de Zoología y Neurobiología General." Por lo tanto, debemos asegurarnos de que las señales de color para ambas herramientas no se superpongan ", agrega el Dr. Till Rudack, biofísico de Bochum.
El equipo de investigación de Klaus Gerwert y Stefan Herlitze ha desarrollado una estrategia híbrida para la ingeniería de proteínas dirigida de melanopsina y otras herramientas optogenéticas. Para este fin, los investigadores combinaron métodos de cálculo asistidos por computadora con mediciones electrofisiológicas.
La simulación por computadora determina el color de la luz de activación
Utilizando simulaciones de computadora de química cuántica, calcularon el color de luz específico requerido para activar una proteína. Por lo tanto, determinaron cómo los bloques de construcción de proteínas individuales o el intercambio de bloques de proteínas individuales afectan el color de la luz. La simulación por computadora generó una lista devariantes de proteínas que califican como herramientas optogenéticas potenciales. Posteriormente, los investigadores utilizaron mediciones electrofisiológicas para analizar a los candidatos prometedores con respecto a su potencial optogenético. Esto incluye la sensibilidad a la luz, es decir, cuánta luz se necesita para encender y apagar la proteína, así comola velocidad y selectividad a la que se implementan o terminan los mecanismos después de la activación del interruptor. Una buena herramienta optogenética se puede encender y apagar en rápida sucesión a baja intensidad de luz.
Validación con una herramienta optogenética bien investigada
Utilizando la herramienta optogenética bien investigada Channelrhodopsin-2, el equipo validó la nueva estrategia híbrida. Para esta proteína, los investigadores utilizaron la simulación por computadora para verificar cómo un intercambio de bloques de construcción de proteínas afectaría la activación del color claro. Los pronósticos correspondían alos valores medidos en experimentos. "Esta coincidencia muestra cuán confiable es nuestra estrategia, y también valida su aplicación para proteínas de las que no sabemos mucho, como la melanopsina", dice el biofísico Dr. Stefan Tennigkeit.
Nuevas variantes de melanopsina
Con su estrategia, el grupo intercambió bloques de construcción de proteínas específicas en melanopsina, manipulando así el color claro para la activación de la molécula, sin afectar la función de la proteína. El color claro que activa la versión habitual de melanopsina se superpone con el de muchas otras herramientas optogenéticas:por eso no pueden usarse en combinación. "Estoy convencido de que será posible combinar esta nueva variante de melanopsina con otras herramientas optogenéticas en el futuro, para controlar procesos celulares complejos", dice Stefan Herlitze.
"A diferencia de los métodos tradicionales de ingeniería de proteínas basados en prueba y error, nuestro enfoque ahorra mucho tiempo gracias a los pronósticos automatizados asistidos por computadora que se pueden calcular en varias computadoras al mismo tiempo", concluye Klaus Gerwert.
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Materiales proporcionado por Ruhr-Universidad Bochum . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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