Con una nueva técnica para crear un espectro de tintes brillantes, los químicos ya no persiguen arcoíris.

El intercambio de componentes químicos específicos en moléculas fluorescentes llamadas rodaminas puede generar casi cualquier color que deseen los científicos:ROYGBIV y más. los investigadores informan el 4 de septiembre, 2017 en la revista Métodos de la naturaleza .

El trabajo ofrece a los científicos una forma de ajustar deliberadamente las propiedades de los tintes existentes, haciéndolos más atrevidos, más brillante y también más permeable a las células. Una paleta de tintes tan expandida podría ayudar a los investigadores a iluminar mejor el funcionamiento interno de las células, dice el líder del estudio Luke Lavis, un líder de grupo en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn, Virginia. Su equipo iluminó los núcleos celulares, hizo brillar los cerebros de las larvas de moscas de la fruta, y resaltó las neuronas de la corteza visual en ratones que tenían pequeñas ventanas de vidrio encajadas en sus cráneos.

Los científicos solían inventar diferentes tintes principalmente por prueba y error, Dice Lavis. "Ahora, hemos descubierto las reglas y podemos hacer casi cualquier color ”. El método de su equipo podría permitir a los químicos sintetizar cientos de colores diferentes.

Una historia brillante

Hasta hace unos 20 años, los científicos se basaron en tintes químicos fluorescentes para hacer visibles las moléculas biológicas. Para mirar dentro de las celdas, tinción de orgánulos, y otros experimentos de imágenes, "la química era el rey, "Lavis escribió el 13 de julio, Perspectiva 2017 en la revista Bioquímica . Y luego, el rey fue expulsado del trono por una proteína de medusa verde brillante llamada GFP.

En 1994, los científicos informaron sobre el uso de un truco genético para abordar la GFP, la proteína verde fluorescente, sobre otras proteínas celulares; es como obligar a las proteínas a sostener una barra luminosa. Ese truco les dio a los investigadores una forma más sencilla de rastrear los movimientos de las proteínas bajo un microscopio, sin usar colorantes sintéticos costosos. La innovación atravesó el campo de las imágenes biológicas. En 2007, La mezcla de los científicos de GFP y otras dos proteínas fluorescentes les permitió pintar las neuronas de los ratones con un desfile de colores vivos en una técnica conocida como "Brainbow". Un año después, el descubrimiento y desarrollo de GFP le valió el Premio Nobel de Química a tres científicos, incluido el fallecido Roger Tsien, un investigador del HHMI.

Pero GFP también tiene algunos lados oscuros. Es una molécula relativamente torpe construida a partir del conjunto limitado de aminoácidos naturales. Entonces, la GFP no siempre es lo suficientemente brillante como para revelar lo que los científicos están tratando de ver.

Entonces los investigadores volvieron a la química. Los científicos habían desarrollado microscopios de vanguardia y nuevas técnicas para etiquetar el contenido celular, Lavis dice:pero los tintes para marcar las moléculas dentro de las células todavía estaban pegados en el siglo XIX. Su equipo se centró en las rodaminas, porque son especialmente brillantes y permeables a las células, por lo que se deslizan fácilmente dentro de las células y las hacen brillar. Pero a pesar de trabajar con rodaminas durante más de 100 años, los químicos habían creado solo unas pocas docenas de colores, y la mayoría tenían tonos similares que iban del verde al naranja.

Hasta hace poco, hacer nuevas rodaminas no fue fácil. Los científicos todavía usaban técnicas de los primeros días de la química, ingredientes químicos hirviendo en ácido sulfúrico. Esto obliga a las moléculas a unirse en lo que se llama reacción de condensación. Mezclar diferentes bloques de construcción puede producir tintes nuevos e inusuales. Pero los ingredientes tenían que ser lo suficientemente resistentes para sobrevivir al baño ácido hirviendo, lo que no dejaba muchas opciones.

Hazlo brillar

En 2011, El equipo de Lavis desarrolló una nueva forma de jugar con la estructura de las rodaminas, en condiciones más suaves. Usando una reacción provocada por el metal paladio, los investigadores pudieron omitir el paso ácido y construir tintes con bloques de construcción más complicados que los que se habían usado antes.

Este más amable Un enfoque más suave abrió la puerta a un nuevo mundo de tintes, y el equipo de Lavis se zambulló. Cuatro años después, revelaron los tintes Janelia Fluor, moléculas fluorescentes hasta 50 veces más brillantes que otros tintes, y más estable también. El secreto detrás de los tintes Janelia Fluor es un pequeño apéndice de forma cuadrada llamado anillo de azetidina, una estructura que solo es posible gracias al nuevo enfoque químico de Lavis.

Los científicos pueden usar una variedad de estrategias para hacer que las moléculas de colorante brillante lleguen a la proteína que desean estudiar. Luego, pueden concentrarse en la proteína encendida, y observe cómo se mueve e interactúa con otras moléculas, sin la confusión de fondo habitual.

"Para nosotros, fue una revolución total en el campo de las imágenes de una sola molécula, "dice el biólogo molecular Xavier Darzacq de la Universidad de California, Berkeley. Antes de usar los tintes Janelia Fluor, las proteínas del factor de transcripción marcadas con fluorescencia que estudió su equipo eran demasiado tenues para capturarlas en imágenes nítidas. Los investigadores tuvieron que mantener el obturador de la cámara abierto durante 10 milisegundos para recoger suficiente luz. Eso es lo suficientemente largo para que las proteínas deambulen, por lo que la imagen saldría borrosa, como una fotografía de un niño pequeño que se retuerce. Pero los tintes de Janelia son lo suficientemente brillantes como para que su equipo pueda capturar moléculas en acción en solo un milisegundo. Dice Darzacq. Instantáneas tan rápidas le han permitido a su equipo realizar experimentos de laboratorio que él describe como "simplemente impensables hace unos años".

Ahora, El grupo de Lavis ha descubierto cómo afinar sus tintes fluorescentes, modificando aún más la estructura de las rodaminas. Las rodaminas tienen un diseño básico de cuatro anillos con grupos de átomos que sobresalen de diferentes partes de los anillos. En trabajos anteriores, los científicos desarrollaron estrategias para los tintes de afinación gruesos:corta un apéndice completo aquí, y puedes hacer un tinte verde. Pop en un átomo de silicio allí, y tienes rojo. Lavis descubrió que al colocar cuidadosamente solo unos pocos átomos nuevos en la estructura del tinte, el color y las propiedades químicas de los tintes también podrían ajustarse, permitiendo muchos tonos de verde desde un solo andamio. Es como pasar del clásico paquete de ocho crayones a la caja gigante de 64.

En un papel aparte, publicado el 9 de agosto de 2017 en la revista Ciencia Central ACS , el equipo describió una forma de modificar el anillo inferior de la estructura del tinte.

"La clave es que todo es modular y racional, "Dice Lavis. Seleccione los átomos correctos, el explica, y los químicos pueden diseñar tintes con casi cualquier propiedad que deseen.

Su grupo injertó diferentes productos químicos en rodaminas, y luego analizó las propiedades de los nuevos tintes. "Nadie había examinado las rodaminas de esta forma sistemática antes, "dice el coautor principal Jonathan Grimm, un científico senior en Janelia.

Los tintes se sintetizan en un solo paso con ingredientes económicos, Dice Lavis. Eso hace que los tintes sean más baratos que las alternativas comerciales:centavos por vial. El bajo costo ha permitido a su equipo compartir su trabajo con científicos de todo el mundo. Lavis, Grimm, y sus colegas ahora han enviado miles de viales a cientos de laboratorios diferentes.

"Estos tintes son un cambio de juego completo, "dice Ethan Garner, un biólogo de células bacterianas de la Universidad de Harvard que las ha utilizado para rastrear el camino de moléculas individuales en su laboratorio. La única desventaja había sido que los científicos no tenían muchos colores diferentes para elegir. Pero ahora, él dice, con el trabajo de Lavis, "De hecho, pueden cubrir todo el rango espectral".