We komen steeds dichter bij het gebruik van licht om ziekten te genezen. De sleutel is het benutten van de kracht van eiwitten die gevoelig zijn voor licht.

Het Kerfeld-lab bestudeert het oranje carotenoïde-eiwit (OCP), uniek voor cyanobacteriën (voorheen bekend als blauwgroene algen), dat zijn organismen die buitengewoon productief zijn bij fotosynthese.

De OCP en zijn homologen, cyanobacteriën beschermen wanneer ze worden blootgesteld aan te veel zonlicht, die anders de fotosynthesesystemen zouden beschadigen, en als extreem, beschadigt de cel zelf.

En net zoals schijnend licht de activiteit van OCP's triggert, wetenschappers willen die reactie gebruiken om gemanipuleerde, aangepaste gezondheidstechnologieën.

Maar eerst, we moeten begrijpen hoe OCP en zijn verwanten werken, volgens Sigal Lechno-Yossef, een postdoc in het Kerfeld-lab.

In haar laatste onderzoek gepubliceerd in Het Plantenjournaal , Sigal laat zien hoe de twee delen van de OCP op elkaar inwerken wanneer ze uit elkaar worden gehaald. Ook weet ze nieuwe, synthetische OCP's door de bouwstenen van verschillende typen OCP die in de natuur worden gevonden te mixen en matchen.

Evolutie omkeren

In de natuur, eiwitten zijn opgebouwd uit een beperkt aantal domeinen – denk aan legoblokjes – die op verschillende manieren combineren.

De OCP bestaat uit twee blokken, genaamd C-terminaal domein en N-terminaal domein, overspannen door een carotenoïde pigment dat de twee delen aan elkaar vastschroeft.

Zo werken ze:

Sigal en haar collega's in het Kerfeld Lab vermoeden dat de OCP, zoals we die nu kennen, is het resultaat van het samengaan van voorouders van de twee domeinen, miljoenen jaren geleden. in de evolutie, genen voor eiwitten die samenwerken, worden soms permanent samengesmolten tot een enkele, groter eiwit.

Sigal keerde deze evolutionaire gebeurtenis in het laboratorium om - noem het deconcentratie. "We wilden het evolutieproces van de OCP beter begrijpen van domeinhomologen die tegenwoordig in cyanobacteriën worden gevonden, ' zegt Sigal.

De wetenschappers braken de verbindende carotenoïde binding af om een ​​OCP-eiwit te splitsen. Vervolgens, ze stopten beide domeinen in een testhost om te zien of ze elkaar zouden vinden en opnieuw zouden verbinden - in feite herleidend wat zij denken dat het evolutionaire proces was.

"Zonder carotenoïde, de twee delen bleven gescheiden. Zodra we de carotenoïde erin hebben gedaan, ze klampten zich aan elkaar vast. We hebben in feite meerdere synthetische versies van de OCP gemaakt."

De synthetische OCP-reacties waren vergelijkbaar met die van hun natuurlijke neven in aanwezigheid van licht. Maar om de een of andere reden, waarschijnlijk in de fijne details van hun structuren, slechts één van de synthetische versies kwam in het donker weer bij elkaar.

Als bonus, hoewel de twee OCP-domeinen gescheiden bleven zonder de carotenoïde bout, die configuratie leverde een aantal interessante inzichten op.

"In het OCP, het N-terminale domein bindt sterker aan de carotenoïde, " zegt Sigal. "Toen we de domeinen isoleerden, we hebben gevonden dat, het C-terminale domein, wanneer op zichzelf, kan binden aan de carotenoïde."

Eiwitten vergelijkbaar met het C-terminale domein zijn wijdverbreid in planten, bacteriën, en sommige dieren, die nieuwe mogelijkheden opent om technische toepassingen in een reeks organismen te verkennen, verder dan bacteriën.

Licht gebruiken in synthetische biologie

Cheryl Kerfeld, hoofdonderzoeker in het Kerfeld-lab, denkt dat nauwkeurige kennis van de structuren van de verschillende OCP-bouwstenen ze bijzonder geschikt maakt voor engineering.

Het doel op lange termijn is om de OCP en zijn afzonderlijke subcomponenten te gebruiken in nieuwe, synthetische systemen, specifiek optogenics, een recent ontwikkelde techniek die licht gebruikt om processen in levende cellen te sturen.

optogenetica, benadrukt in een Science-artikel uit 2010 over Doorbraken van het decennium, " laat ons zien hoe de hersenen werken, hoe we leren, of hoe we wakker worden. Wetenschappers hopen dat het richten op specifieke hersencellen ons zal helpen de ziekte van Parkinson of Alzheimer te genezen. zelfs geestesziekten bestrijden.

Lichtgevoelige eiwitten, gelijk aan de OCP, zijn de sleutel tot het activeren en controleren van gebeurtenissen in optogenetische toepassingen. Hoewel OCP nog moet worden uitgeprobeerd in een specifieke optogenetische toepassing, het Kerfeld Lab denkt dat ze door hun eigenschappen nuttig kunnen zijn.

"OCP's reageren sneller op licht, vergeleken met de huidige lichtgevoelige eiwitten die worden gebruikt in optogenetische experimenten, "zegt Sigal. "Ze zijn ook zo flexibel in hoe ze uit elkaar vallen en weer bij elkaar komen. Ze zijn een geweldige kandidaat."

Zij voegt toe, "Nu we hebben laten zien dat we kunstmatige hybride OCP's kunnen maken, we hebben een breder scala aan opties." als een patiënt meerdere doses medicijnen nodig heeft, hun inname zou kunnen worden gecontroleerd met een synthetische OCP die assembleert en demonteert om doseringen te regelen.

Of, OCP-domeinen kunnen afzonderlijk worden gebruikt, bijvoorbeeld, als een kill-switch voor behandelingen die enkelvoudige doses vereisen, in tegenstelling tot meerdere cycli.

"We zitten nog in de theoretische fase van het bedenken van toepassingen, maar we zijn niet ver van waar we kunnen gaan experimenteren met synthetische systemen."