optogenetica, de benadering om licht te gebruiken om belangrijke processen te controleren, heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop onderzoekers cellulaire signaalroutes onderzoeken, cellulair gedrag en de functie van grote en onderling verbonden weefsels zoals de hersenen. Deze zeer succesvolle combinatie van optica en genetica wordt aangedreven door lichtgevoelige eiwitten, waarvan er vele zijn ontworpen om aan elkaar te binden bij lichtstimulatie. Nieuw onderzoek door wetenschappers van het Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) breidt deze toolbox voor optogenetische eiwitten uit. In de studie van de groep van Harald Janovjak, gedreven door eerste auteur en promovendus Stephanie Kainrath, en collega's van het Children's Cancer Research Institute in Wenen, vandaag gepubliceerd in Angewandte Chemie , de auteurs tonen de afgifte van binding aan bij blootstelling aan groen licht.

De toepassing van licht als stimulus heeft onderzoekers in staat gesteld om cellulair gedrag in gedefinieerde ruimtes en realtime te manipuleren en opende daarmee deuren voor nieuwe soorten experimenten. De methode heeft, echter, floreerde in die gevallen waar lichtgevoelige eiwitdelen, eiwitdomeinen genoemd, reageerden op licht door aan elkaar te binden. Binding activeert signalering. Om ervoor te zorgen dat de signalering ingeschakeld blijft, de cellen, weefsels of dieren die worden bestudeerd, moeten in het licht blijven. Maar constante blootstelling aan licht brengt risico's met zich mee:verbleking en giftige bijwerkingen van licht worden vaak waargenomen.

Kainrath en collega's bieden een uitweg omdat ze lichtgevoelige domeinen opnieuw hebben gebruikt die hun interactie vrijgeven als reactie op licht. Als gevolg hiervan, onderzoekers kunnen nu hun studieobject in het donker laten om signalering te induceren, en verplaats het naar het licht op een nauwkeurig tijdstip om de signalering te onderbreken. Eerste auteur Stephanie Kainrath legt het belang van het onderzoek uit:"Ons werk werd geïnspireerd door de wens om biologische signalen te imiteren die altijd aan staan, zoals die welke de groei van bepaalde vormen van kanker stimuleren. Met onze nieuwe tool kunnen we dergelijke signalen ook snel uitschakelen. Dit zorgt voor nieuwe benaderingen in zowel celgebaseerde als dierstudies."

Het nieuw ontwikkelde gereedschap is bijzonder veelzijdig omdat het reageert op licht in het groene deel van het zichtbare lichtspectrum. Dit is mogelijk omdat de herbestemde domeinen, genaamd cobalamine (vitamine B12)-bindende domeinen (CBD's), gebruik vitamine B12 voor hun lichte reactie. Het werd pas onlangs gerealiseerd dat vitamine B12 niet alleen essentieel is voor het functioneren van het menselijk lichaam, maar ook in bacteriën wordt gebruikt als lichtsensor. Kainrath en collega's demonstreren het gebruik van deze domeinen door ze te koppelen aan een receptoreiwit van gewervelde dieren dat fibroblastgroeifactorreceptor 1 (FGFR1) wordt genoemd. Normaal gesproken reikt een deel van deze receptor naar de buitenkant van de cel waar het fibroblastgroeifactoren kan opvangen, waardoor twee receptoren aan elkaar binden en signalering aan de binnenkant van de cel activeren. De gemanipuleerde optogenetische FGFR1-eiwitten binden in het donker aan elkaar via de CBD's en activeren de signalering. Alleen bij groen licht, de binding wordt opgeheven en de signalering stopt.

Experimenten in zebravisembryo's tonen het potentieel van deze nieuwe benadering voor dierstudies. Zebravisembryo's die zijn gemodificeerd om de gemanipuleerde receptor te produceren en in het donker worden bewaard, vertonen dezelfde ontwikkelingsstoornissen als embryo's waarin signalering altijd actief is, een situatie die lijkt op menselijke aandoeningen. Daarentegen, embryo's die zich in groen licht mochten ontwikkelen waren normaal, zonder ontwikkelingsstoornissen. Voor Martin Distel, co-auteur en groepsleider bij het Children's Cancer Research Institute, Wenen, de receptor is een handig hulpmiddel om oncogenverslaving aan te pakken, de achilleshiel van sommige kankers:"CBD-gemedieerde en groen licht-gecontroleerde dissociatie van eiwitcomplexen is een nuttige troef in de optogenetische gereedschapskist. Voor mogelijke toepassingen in kankeronderzoek zou men kunnen denken aan oncogenverslaving. Afwijkende activering van signalen zoals die gekoppeld aan FGF's kunnen nu snel en van buitenaf door licht worden uitgeschakeld om de gevolgen voor het celgedrag te onderzoeken."

Harald Janovjak en zijn groep werken op het nieuwe gebied van synthetische fysiologie, die complexe biologische problemen aanpakt met de benadering om "het te bouwen om het te begrijpen". Stephanie Kainrath trad in 2015 toe tot het PhD-programma van IST Oostenrijk. Nadat ze in december 2016 haar kwalificerende examen had behaald, Stephanie doet nu onderzoek voor haar doctoraat in de groep van Harald Janovjak.