Технология может помочь исследователям лучше понять роль определенных клеток и белков в повседневных функциях и заболеваниях и, возможно, может быть использована в качестве таргетной терапии рака и других заболеваний. Их результаты были опубликованы сегодня в Интернете компанией Nature Methods.
Оптогенетика относится к процессу, в котором свет используется для управления биологической функцией. Исследователи делают это, запрограммировав активируемые светом компоненты в генетический код организма.
Когда эти компоненты подвергаются воздействию света, они заставляют части организма функционировать иначе.
Бручез и его команда потратили последнее десятилетие на разработку флуоресцентных зондов, называемых флуороген-активирующими белками (FAP), которые используются для мониторинга активности белков в живых клетках в режиме реального времени.
FAP генетически экспрессируется в клетке и может быть связан с конкретным белком, который исследователи хотят изучить. Когда FAP вступает в контакт с флуоресцентным красителем, называемым флуорогеном, комплекс загорается, позволяя исследователям просматривать и отслеживать белок.
«Мы поняли, что не должны ограничивать нашу технологию только инструментом визуализации», — сказал Бручез, доцент кафедры биологических наук и химии. "С некоторыми модификациями мы могли бы превратить его в инструмент для биологических манипуляций."
Чтобы создать свой оптогенетический тег, исследователи разработали краситель, который не только светится, но и выделяет синглетный кислород — токсичную форму кислорода — когда он связывается с FAP и подвергается воздействию света. Этот подход с направленным и активированным фотосенсибилизатором FAP (FAP-TAPS) не только позволяет исследователям визуализировать белок, на который они нацелены, но также может использоваться для выборочной инактивации белка.
Предыдущие попытки разработки таких фотосенсибилизаторов были ограничены их неспособностью избирательно связываться с белками-мишенями и их потребностью в высоких дозах света с биологически опасными длинами волн.
Комплекс FAP-TAPS преодолевает эти препятствия с помощью функций точного наведения FAP и использования света в дальнем красном или ближнем инфракрасном спектрах. Свет на этих длинах волн проникает в ткани и биологически безопасен. Подход FAP-TAPS также требует значительно меньше света, чем другие фотосенсибилизаторы, такие как Killer Red. Кроме того, синглетный кислород является биологически активным в коротком диапазоне, поэтому он не повреждает белки в других областях клетки или клетки в других областях организма.
В статье исследователи доказали эффективность модуля FAP-TAPS в популяции рыбок данио. Они сначала создали рыбу, которая экспрессирует модуль FAP только в клетках сердечной мышцы. Затем они добавили краситель и выставили рыбу на свет. У личинок рыб эффект был немедленным — перестало биться сердце и прекращался кровоток.
У взрослых рыб у рыб проявился кардиотоксический ответ, и они начали трансформировать кардиомиоциты в пролиферирующие клетки, которые восстановили повреждение в течение нескольких дней. Помимо подтверждения концепции, результаты показывают, что FAP-TAPS можно использовать для изучения регенерации сердца у рыбок данио.
Исследователи также считают, что FAP-TAPS может использоваться для множества других целей, как связанных со здоровьем, так и в фундаментальных исследованиях.
К таким областям относятся удаление опухоли, передача сигналов реактивного кислорода и манипуляции с нервной системой.