Cuando el científico principal Jonathan Grimm llegó a Janelia hace 13 años, no sabía mucho sobre la fluorescencia o los tintes fluorescentes. Pero como químico orgánico que había estado trabajando en el descubrimiento de fármacos en Merck, ciertamente sabía un par de cosas sobre química medicinal.
Por capricho, Luke Lavis, líder senior del grupo de Grimm y Janelia, decidió intentar utilizar una reacción química medicinal fundamental que Grimm había aprendido en la industria farmacéutica para mejorar la química de los tintes con siglos de antigüedad. Pensaron que este enfoque podría permitir el acceso a rodaminas completamente nuevas, antes inaccesibles:moléculas que Lavis había estado trabajando para hacer más brillantes y duraderas para que pudieran usarse para obtener mejores imágenes de las células bajo microscopios potentes.
El resultado fue el comienzo de lo que se convertirían en los ahora omnipresentes e indispensables tintes Janelia Fluor, sondas fluorescentes brillantes, fotoestables y permeables a las células que permiten a los biólogos ver las moléculas dentro de las células. Más de una década después de su presentación por primera vez, estos tintes fluorescentes que abarcan todo el espectro de colores se han convertido en un elemento básico de los laboratorios de biología de todo el mundo.
Utilizando un enfoque similar, Grimm, Lavis y sus colaboradores han publicado la culminación de sus años de trabajo en el Journal of the American Chemical Society. :una colección completa de tintes fluorescentes adicionales a base de rodamina:un conjunto completamente nuevo de tintes desplazados hacia el rojo lejano que pueden penetrar más profundamente en el tejido y son buenos para obtener imágenes in vivo, lo que los hace de vital importancia para los biólogos.
El equipo también compartió su enfoque:la nueva química que desarrollaron para sintetizar los tintes y los conocimientos que proporcionan una hoja de ruta para diseñar futuras sondas.
"A lo largo del camino, aplicamos, modificamos o ideamos formas totalmente nuevas de producir rodaminas que tienen un alcance bastante amplio y que nos permitieron producir muchos tintes con relativa rapidez", dice Grimm. "Este es probablemente el trabajo más completo que hemos realizado con rodaminas hasta ahora."
El último proyecto comenzó al inicio de la pandemia de COVID-19 a principios de 2020. El equipo acababa de publicar una investigación que detallaba la novedosa química que utilizaron para ampliar la paleta de tintes Janelia Fluor.
A continuación, querían ver si podían aplicar lo que habían aprendido sobre la optimización de los tintes Janelia Fluor a otros tipos de tintes a base de rodamina y, al mismo tiempo, mejorar aún más la química utilizada para sintetizarlos.
Mientras el mundo se cerraba, Grimm y Lavis planearon una nueva química, incluidas reacciones químicas completamente novedosas, que buscaban incorporar racionalmente las lecciones aprendidas de los tintes Janelia Fluor en otras rodaminas clásicas pero subóptimas.
Unos meses más tarde, Grimm regresó al laboratorio y comenzó a ver si su trabajo en papel podía trasladarse al mundo real (y a veces impredecible) de la química orgánica. Con las precauciones de COVID implementadas, Grimm trabajó solo en el laboratorio, optimizando la química y creando los primeros tintes nuevos.
"Probablemente habría sucedido de todos modos, pero para bien o para mal, cuando no hay nada más en qué concentrarse, o las cosas en las que concentrarse eran malas (como lo fue 2020 para todos), la química fue una buena distracción", dice Grimm. /P>
La nueva investigación presenta la culminación del trabajo del equipo durante los últimos más de tres años. A diferencia de los tintes tradicionales Janelia Fluor, que se caracterizan por un apéndice llamado anillo de azetidina, los otros tintes a base de rodamina tienen diferentes sustituyentes que sobresalen de otras partes de sus estructuras moleculares.
Armado con el conocimiento adquirido sobre la optimización de los tintes JF, el equipo modificó estas otras áreas en los tintes de rodamina más antiguos para alterar su color, brillo, fotoestabilidad, permeabilidad celular y otras características.
El resultado es un conjunto completamente nuevo de tintes a base de rodamina para imágenes. El equipo también pudo idear varias formas nuevas de fabricar tintes clásicos de rodamina, lo que les permitió crear docenas de versiones funcionales con relativa rapidez.
"Sabíamos desde hacía mucho tiempo cómo el cambio de funcionalidad en la 'parte superior' de la molécula afecta los colores de los fluoróforos, pero también descubrimos que esto afecta fuertemente las propiedades químicas del tinte", dice Lavis. "Lo aprovechamos de diferentes maneras para crear agentes de imágenes brillantes y desplazados al rojo".
Si bien este no es el final de la historia de los tintes de rodamina, es probable que el trabajo avance en una dirección diferente. Ahora el equipo se centra en diseñar reactivos diseñados específicamente para que los utilicen sus colaboradores biólogos, trabajando para crear las mejores herramientas posibles con el conocimiento que han adquirido.
"Podemos producir cualquier tinte de rodamina que queramos con esta química, por lo que la gran pregunta es qué haremos a continuación", dice Lavis. "No se trata de lo que podemos hacer, sino de lo que debemos hacer".
Grimm dice que el desarrollo de este amplio conjunto de rodaminas, que tomó más de una década, es un testimonio del apoyo del HHMI Janelia a los esfuerzos a largo plazo que son beneficiosos para la comunidad científica en general. Tener puestos científicos permanentes en Janelia también permite a Grimm y otros científicos senior brindar continuidad a un proyecto grande como los tintes Janelia Fluor. Cuatro de los investigadores de la publicación más reciente también participaron en el primer artículo sobre tinte de rodamina que el laboratorio publicó en 2011.
Para Grimm, también significa que puede hacer lo que ama:estar en el laboratorio, hacer química y crear herramientas que sean útiles para los biólogos. Y, más de 13 años después, también aprendió un par de cosas sobre los tintes fluorescentes.
"Es muy satisfactorio tener esta cronología de artículos que muestran todo lo que hemos hecho a lo largo de los años, y todo comenzó con sólo una reacción aleatoria basada en un pequeño cálculo que hizo Luke, que a su vez fue posible mediante un método sintético que simplemente intentamos, por capricho, hacer la síntesis de tintes un poco más fácil", dice Grimm. "Incluso si un cálculo parece excelente, no siempre resulta así. En este caso, fue acertado y ciertamente valió la pena".
Más información: Jonathan B. Grimm et al, Tintes de absorción roja optimizados para imágenes y detección, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05273
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por el Instituto Médico Howard Hughes
