Onderzoekers van Ruhr-Universität Bochum (RUB) hebben een nieuwe strategie ontwikkeld voor het ontwerpen van lichtgevoelige eiwitten. dergelijke eiwitten, ook bekend als optogenetische hulpmiddelen, kan worden in- en uitgeschakeld door middel van lichtimpulsen, waardoor specifieke cellulaire processen worden geactiveerd. Ze kunnen, bijvoorbeeld, worden gebruikt om te analyseren en te controleren hoe signalen door zenuwcellen worden verzonden. Tot dusver, onderzoekers die optogenetische hulpmiddelen ontwikkelen, zijn vrijwel gedwongen hun toevlucht te nemen tot vallen en opstaan. Een combinatie van computerondersteunde en experimentele methoden heeft nu de weg vrijgemaakt voor een meer gerichte aanpak.

In samenwerking met een collega uit Münster, het team onder leiding van professor Stefan Herlitze, Afdeling Algemene Zoölogie en Neurobiologie aan de RUB, en professor Klaus Gerwert, Afdeling Biofysica aan de RUB, heeft een artikel over de methode gepubliceerd in het tijdschrift " Chembiochemisch ", waar het als coververhaal in de editie van 15 juli 2019 stond.

Eiwitten aan- en uitzetten met licht in verschillende kleuren

Een voorbeeld van een optogenetisch hulpmiddel is het eiwit melanopsine. Het kan worden in- en uitgeschakeld door twee lichtsignalen in verschillende kleuren. "Vaak, meer dan één optogenetische tool nodig is, bijvoorbeeld als twee verschillende processen in een cel onafhankelijk van elkaar moeten worden aangestuurd, " legt Raziye Karapinar van de afdeling Algemene Zoölogie en Neurobiologie uit. "We moeten er daarom voor zorgen dat de kleursignalen voor beide tools elkaar niet overlappen, " voegt Dr. Till Rudack toe, biofysicus uit Bochum.

Het onderzoeksteam van Klaus Gerwert en Stefan Herlitze heeft een hybride strategie ontwikkeld voor gerichte eiwitmanipulatie van melanopsine en andere optogenetische hulpmiddelen. Hiertoe, de onderzoekers combineerden computerondersteunde rekenmethoden met elektrofysiologische metingen.

Computersimulatie bepaalt de activerende lichtkleur

Met behulp van kwantumchemie computersimulaties, ze berekenden de specifieke lichtkleur die nodig is om een ​​eiwit te activeren. Dus, zij bepaalden hoe individuele eiwitbouwstenen resp. de uitwisseling van individuele eiwitbouwstenen beïnvloedt de lichtkleur. De computersimulatie genereerde een lijst met eiwitvarianten die in aanmerking komen als potentiële optogenetische hulpmiddelen. Vervolgens, de onderzoekers gebruikten elektrofysiologische metingen om de veelbelovende kandidaten te analyseren op hun optogenetisch potentieel. Dit omvat lichtgevoeligheid, d.w.z. hoeveel licht er nodig is om het eiwit aan en uit te zetten, evenals de snelheid en selectiviteit waarmee mechanismen worden geïmplementeerd of beëindigd na activering van de schakelaar. Een goed optogenetisch hulpmiddel kan bij lage lichtintensiteit snel achter elkaar worden in- en uitgeschakeld.

Validatie met goed onderbouwde optogenetische tool

Met behulp van de goed onderzochte optogenetische tool Channelrhodopsin-2, het team valideerde de nieuwe hybride strategie. Voor dit eiwit de onderzoekers gebruikten computersimulatie om te verifiëren hoe een uitwisseling van eiwitbouwstenen de activerende lichtkleur zou beïnvloeden. De prognoses kwamen overeen met de waarden gemeten in experimenten. "Deze wedstrijd laat zien hoe betrouwbaar onze strategie is, en het valideert ook zijn toepassing voor eiwitten waarover we niet veel weten, zoals melanopsine, " zegt biofysicus Dr. Stefan Tennigkeit.

Nieuwe melanopsine varianten

Met hun strategie de groep wisselde specifieke eiwitbouwstenen uit in melanopsine, waardoor de lichtkleur wordt gemanipuleerd voor de activering van moleculen, zonder de eiwitfunctie aan te tasten. De lichte kleur die de gebruikelijke melanopsineversie activeert, overlapt die van veel andere optogenetische hulpmiddelen - daarom kunnen ze niet in combinatie worden gebruikt. "Ik ben ervan overtuigd dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om deze nieuwe melanopsinevariant te combineren met andere optogenetische hulpmiddelen, om complexe cellulaire processen te controleren, ", zegt Stefan Herlitze.

"In tegenstelling tot traditionele eiwitengineeringmethoden die gebaseerd zijn op trial-and-error, onze aanpak bespaart veel tijd dankzij geautomatiseerde computerondersteunde prognoses die op meerdere computers tegelijk kunnen worden berekend, ’ besluit Klaus Gerwert.