Gloeiende wezens zoals vuurvliegjes en kwallen zijn interessant voor onderzoekers, omdat hun bioluminescente moleculen bijdragen aan het visualiseren van een groot aantal biologische processen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers in Japan hebben deze moleculen supercharged, waardoor ze honderden keren helderder zijn in diepe weefsels en het mogelijk maakt om cellen van buiten het lichaam in beeld te brengen. De biotechnologische lichtbron werd gebruikt om kankercellen bij muizen en hersencelactiviteit bij apen te volgen, maar de toepassingen reiken verder dan het laboratorium.

Bioluminescentie is het resultaat van een partnerschap. Een enzym, in dit geval, luciferase afgeleid van vuurvliegjes, katalyseert het substraat D-luciferine, waardoor er een groengele gloed ontstaat. Er is veel onderzoek gedaan om dit proces efficiënter te maken, bijvoorbeeld, door luciferine uit te wisselen voor synthetische analogen en de katalysesnelheid te verbeteren. Atsushi Miyawaki en collega's probeerden verder te gaan, het verfijnen van beide ingrediënten om AkaBLI te creëren, een volledig bio-engineered bioluminescentiesysteem voor in vivo gebruik. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

Op basis van eerder werk, de onderzoekers wisten dat een synthetische luciferine, AkaLumine-HCl genaamd, de bloed-hersenbarrière kan binnendringen en een roodachtig licht kan produceren dat gemakkelijker te zien is in lichaamsweefsels. Het was niet erg compatibel met het natuurlijke luciferase, echter, dus muteerden ze achtereenvolgens het enzym om de koppeling met AkaLumine-HCl te verbeteren. Het resulterende Akaluc-eiwit is zowel een efficiëntere katalysator voor het substraat als overvloediger tot expressie gebracht door cellen. In het muizenbrein, deze combinatie van Akaluc die AkaLumine-HCl katalyseert, genaamd AkaBLI, resulteerde in een bioluminescentiesignaal dat 1000 keer sterker was dan dat van de natuurlijke luciferase-luciferinereactie. Elders in het lichaam, slechts een of twee gloeiende cellen waren duidelijk zichtbaar vanuit de muizenlong, iets dat nuttig zou kunnen zijn voor het monitoren van getransplanteerde cellen.

Bioluminescentie kan gemakkelijk en vrijwillig worden geïntroduceerd door AkaBLI op te nemen in het drinkwater van dieren, die de meest aanhoudende gloed geeft, hoewel het injecteren van de moleculen een grotere intensiteit opleverde. "De fundamentele verbetering, Hoewel, is de praktische toepasbaarheid voor in vivo fysiologische studies, ' zegt Miyawaki.

Met AkaBLI, hoe hersenactiviteit en -structuren veranderen met gedrag, kan in de loop van de tijd direct worden waargenomen. In een experiment waarin muizen werden blootgesteld aan bekende en nieuwe kooiomgevingen, dezelfde neuronen in de hippocampus konden over meerdere dagen worden geregistreerd. "Dit is de eerste keer dat zo'n klein ensemble van enkele tientallen diepe neuronen gerelateerd aan een specifiek leergedrag niet-invasief kan worden gevisualiseerd, " zegt Miyawaki. En in een zijdeaapje, de onderzoekers waren in staat om diepe hersenneuronen meer dan een jaar te volgen met behulp van AkaBLI. Het potentieel voor dit soort stabiele en langdurige bioluminescentie voor het begrijpen van neurale circuits tijdens natuurlijk gedrag, merkt Miyawaki op, is veelbelovend.