Optogenética, el enfoque para utilizar la luz para controlar los procesos clave, ha revolucionado la forma en que los investigadores investigan las vías de señalización celular, el comportamiento celular y la función de tejidos grandes e interconectados como el cerebro. Esta exitosa combinación de óptica y genética está impulsada por proteínas sensibles a la luz, muchos de los cuales han sido diseñados para unirse entre sí mediante estimulación lumínica. Una nueva investigación realizada por científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (IST Austria) amplía esta caja de herramientas de proteínas optogenéticas. En el estudio del grupo de Harald Janovjak, impulsado por la primera autora y estudiante de doctorado Stephanie Kainrath, y colegas del Instituto de Investigación del Cáncer Infantil en Viena, publicado hoy en Angewandte Chemie , los autores demuestran la liberación de la unión cuando se exponen a la luz verde.

La aplicación de la luz como estímulo ha permitido a los investigadores manipular el comportamiento celular en espacios definidos y en tiempo real y, por tanto, ha abierto las puertas a nuevos tipos de experimentos. El método tiene, sin embargo, floreció en aquellos casos donde las partes de proteínas sensibles a la luz, llamados dominios de proteínas, respondieron a la luz uniéndose entre sí. La unión activa la señalización. Para asegurarse de que la señalización permanezca encendida, las celdas, Los tejidos o animales en estudio deben permanecer a la luz. Pero la exposición constante a la luz conlleva riesgos:comúnmente se observan blanqueamiento y efectos secundarios tóxicos de la luz.

Kainrath y sus colegas ofrecen una salida al rediseñar los dominios sensibles a la luz que liberan su interacción en respuesta a la luz. Como consecuencia, Los investigadores ahora pueden dejar su objeto de estudio en la oscuridad para inducir la señalización, y muévalo a la luz en un momento preciso para interrumpir la señalización. La primera autora, Stephanie Kainrath, explica la importancia de la investigación:"Nuestro trabajo se inspiró en el deseo de imitar señales biológicas que siempre están encendidas, como los que impulsan el crecimiento de ciertos cánceres. Con nuestra nueva herramienta también podemos apagar rápidamente tales señales. Esto permite nuevos enfoques tanto en estudios basados ​​en células como en animales ".

La herramienta de nueva ingeniería es especialmente versátil ya que responde a la luz en la parte verde del espectro de luz visible. Esto es posible ya que los dominios rediseñados, llamados dominios de unión a cobalamina (vitamina B12) (CBD), utilizan vitamina B12 para su respuesta a la luz. Recientemente se descubrió que la vitamina B12 no solo es esencial para el funcionamiento del cuerpo humano, sino que también se usa en bacterias como sensor de luz. Kainrath y sus colegas demuestran el uso de estos dominios al vincularlos a una proteína receptora de vertebrados llamada receptor 1 del factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR1). Normalmente, una parte de estos receptores llega al exterior de la célula donde puede capturar factores de crecimiento de fibroblastos. haciendo que dos receptores se unan entre sí y activen la señalización en el interior de la célula. Las proteínas FGFR1 optogenéticas diseñadas se unen entre sí en la oscuridad a través de los CBD y activan la señalización. Solo en luz verde la unión se libera y la señalización se detiene.

Los experimentos en embriones de pez cebra muestran el potencial de este nuevo enfoque para estudios con animales. Los embriones de pez cebra modificados para producir el receptor diseñado y mantenidos en la oscuridad muestran los mismos defectos de desarrollo que los embriones en los que la señalización siempre está activa. una situación que se asemeja a los trastornos humanos. Por el contrario, los embriones que se dejaron desarrollar en luz verde eran normales, sin defectos de desarrollo. Para Martin Distel, coautor y líder de grupo en el Children's Cancer Research Institute, Viena, el receptor es una herramienta útil para abordar la adicción a los oncogenes, el talón de Aquiles de algunos cánceres:"La disociación de complejos de proteínas mediada por CBD y controlada por luz verde es un activo útil en la caja de herramientas optogenéticas. Para aplicaciones potenciales en la investigación del cáncer, uno podría pensar en la adicción a los oncogenes. Activación aberrante de señales como las vinculadas a Los FGF ahora se pueden apagar rápidamente y desde el exterior mediante la luz para investigar las consecuencias sobre el comportamiento celular ".

Harald Janovjak y su grupo trabajan en el nuevo campo de la fisiología sintética, que aborda problemas biológicos complejos con el enfoque de "construirlo para comprenderlo". Stephanie Kainrath se unió al programa de doctorado de IST Austria en 2015. Tras aprobar su examen de calificación en diciembre de 2016, Stephanie ahora realiza investigaciones para su doctorado en el grupo de Harald Janovjak.