La observación de proteínas con precisión dentro de las células es extremadamente importante para muchas ramas de la investigación, pero ha sido un desafío técnico importante, especialmente en células vivas, ya que el etiquetado fluorescente requerido tenía que adjuntarse individualmente a cada proteína.
El grupo de investigación del CeMM dirigido por Stefan Kubicek ha superado este obstáculo:con un método llamado "vpCells" es posible marcar muchas proteínas simultáneamente utilizando cinco colores fluorescentes diferentes. Este enfoque automatizado de alto rendimiento, con la ayuda del reconocimiento de imágenes asistido por IA, abre aplicaciones completamente nuevas en diversas disciplinas, desde la biología celular fundamental hasta el descubrimiento de fármacos. El estudio ha sido publicado en la revista Nature Cell Biology. .
Sin proteínas, la vida tal como la conocemos sería inconcebible. Proporcionan el marco estructural de las células, actúan como enzimas para controlar el metabolismo y permiten que las células se comuniquen con su entorno como receptores de membrana, transportadores o moléculas de señalización. Todas estas funciones sólo pueden cumplirse si las proteínas están ubicadas en el lugar correcto dentro de la célula. A menudo, incluso las propiedades de una proteína cambian cuando cambia su ubicación; por lo tanto, el control sobre su localización en la célula también significa control sobre su función.
Para comprender y explorar la función de las proteínas, es esencial determinar y rastrear con precisión su ubicación dentro de la célula. Las proteínas a menudo se desplazan dinámicamente entre diferentes orgánulos y compartimentos de la célula. Para visualizarlos bajo el microscopio, a menudo se los vincula a un componente proteico fluorescente y brillante. Sin embargo, este método ha enfrentado dificultades técnicas:normalmente, el componente fluorescente solo podía unirse a una proteína a la vez, y para marcar múltiples proteínas, las células generalmente tenían que ser destruidas y fijadas.
El nuevo método presentado por el grupo de Stefan Kubicek, denominado "visual proteomics Cells" (abreviado vpCells), permite marcar proteínas con fluorescencia de forma que se preserven sus mecanismos reguladores endógenos. En lugar de marcar una proteína a la vez, vpCells puede fusionar muchas proteínas simultáneamente con una etiqueta fluorescente en el llamado enfoque múltiple.
El equipo de Kubicek ya describió en 2020 un precursor de este método para estudiar las enzimas metabólicas. Ahora se ha ampliado y mejorado de tres maneras:
En primer lugar, vpCells puede etiquetar todas las proteínas teóricamente posibles utilizando la herramienta de edición de genes CRISPR/Cas9 para unir genéticamente proteínas fluorescentes a las proteínas bajo investigación. El grupo de Kubicek ha creado una "biblioteca" de todo el genoma para este propósito, que permite el marcado fluorescente y la exploración funcional sistemática de todas las proteínas humanas posibles.
En segundo lugar, los vpCells utilizan no sólo un color fluorescente sino un total de cinco colores complementarios. En cada célula se marcan dos proteínas diferentes a rastrear. Además, se utiliza otra marca de color para distinguir mejor los clones individuales. Y dos colores más marcan el núcleo celular y la membrana para delinear mejor las células individuales.
En tercer lugar, esta combinación de colores permite no sólo generar imágenes visualmente atractivas, sino también reconocer y discriminar ópticamente las diferentes proteínas. Normalmente, esto requiere una secuenciación compleja del ADN después de obtener imágenes para determinar qué proteína está marcada. El enfoque vpCells, por otro lado, permite entrenar un sistema de reconocimiento de imágenes asistido por IA para reconocer qué proteína está marcada en qué célula basándose únicamente en imágenes de microscopía de fluorescencia.
El método ya ha demostrado su utilidad en dos aplicaciones:por un lado, se generaron más de 4.500 líneas celulares que sirven como indicadores para más de 1.100 proteínas. Estas líneas celulares se utilizaron para entrenar los modelos de IA y describir la localización de las proteínas en su estado basal. Todas las imágenes de las proteínas marcadas individualmente están disponibles en la base de datos web de acceso público vpCells.
Por otro lado, las células reporteras vivas se utilizaron para una pregunta de investigación específica:el equipo de Kubicek examinó el efecto de más de 1.000 sustancias de moléculas pequeñas sobre 61 proteínas relevantes para las células cancerosas. Los investigadores descubrieron que 44 de las sustancias analizadas alteraron la cantidad o localización de proteínas individuales en 6 horas. Una de las sustancias resultó ser un inhibidor del transporte de proteínas desde el núcleo celular, que tiene un efecto similar a un fármaco clínicamente aprobado para el mieloma múltiple, un cáncer del sistema hematopoyético.
"Estos resultados ofrecen una primera visión de la versatilidad del método vpCells", afirma Kubicek. "Esperamos muchas más aplicaciones futuras, desde la biología celular fundamental hasta el descubrimiento de fármacos aplicados".
Más información: Etiquetado multicolor agrupado para visualizar la dinámica de las proteínas subcelulares, Nature Cell Biology (2024). DOI:10.1038/s41556-024-01407-w
Información de la revista: Biología celular natural
Proporcionado por el Centro de Investigación de Medicina Molecular CeMM de la Academia de Ciencias de Austria
