Vi går närmare att använda ljus för att bota sjukdomar. Nyckeln är att utnyttja kraften hos proteiner som är känsliga för ljus.

Kerfeld -labbet studerar det orange karotenoidproteinet (OCP), unik för cyanobakterier (tidigare känd som blågröna alger), som är organismer som är oerhört produktiva vid fotosyntes.

OCP och dess homologer, skydda cyanobakterier när de utsätts för för mycket solljus, som annars skulle skada de fotosyntetiska systemen, och om det är extremt, skadar själva cellen.

Och precis som strålande ljus utlöser OCP -aktiviteten, forskare vill använda det svaret för att aktivera konstruerade, anpassad hälsoteknik.

Men först, vi måste förstå hur OCP och dess anhöriga fungerar, enligt Sigal Lechno-Yossef, en postdoktor i Kerfeld-labbet.

I hennes senaste studie, publicerad i Växtjournalen , Sigal visar hur de två delarna av OCP interagerar när de delas isär. Hon lyckas också skapa nya, syntetiska OCP genom att blanda och matcha byggstenarna från olika typer av OCP som finns i naturen.

Omvänd evolution

I naturen, proteiner består av ett begränsat antal domäner - se dem som legoklossar - som kombineras på olika sätt.

OCP består av två block, kallas C-terminal domän och N-terminal domän, sträcker sig över ett karotenoidpigment som bultar ihop de två delarna.

Så här fungerar de:

Sigal och hennes kollegor i Kerfeld Lab misstänker att OCP, som vi känner det idag, är resultatet av förfäder till de två domänerna som går samman, miljoner år sedan. I evolutionen, gener för proteiner som fungerar tillsammans blir ibland permanent sammansmälta till en enda, större protein.

Sigal vände denna evolutionära händelse i labbet - kalla det devolution. "Vi ville bättre förstå utvecklingsprocessen för OCP från domänhomologer som finns i cyanobakterier idag, "Säger Sigal.

Forskarna bröt ner den anslutande karotenoidbindningen för att dela isär ett OCP -protein. Sedan, de lägger in båda domänerna i en testvärd för att se om de skulle hitta varandra och ansluta igen - i princip återfå vad de tror var den evolutionära processen.

"Utan karotenoid, de två delarna förblev separerade. När vi väl satte in karotenoiden, de hakade på varandra. Vi skapade i princip flera syntetiska versioner av OCP. "

De syntetiska OCP -reaktionerna liknade deras naturliga kusiner i närvaro av ljus. Men av någon anledning, förmodligen i de fina detaljerna i deras strukturer, bara en av de syntetiska versionerna kom tillbaka ihop i mörkret.

Som en bonus, även om de två OCP -domänerna förblev separerade utan karotenoidbulten, den konfigurationen gav några intressanta insikter.

"I OCP, den N-terminala domänen binds starkare till karotenoiden, "Säger Sigal." När vi isolerade domänerna, vi fann det, den C-terminala domänen, ensam, kan binda till karotenoiden. "

Proteiner som liknar den C-terminala domänen är utbredda i växter, bakterie, och några djur, som öppnar nya möjligheter att utforska tekniska tillämpningar inom en rad organismer, bortom bakterier.

Använda ljus i syntetisk biologi

Cheryl Kerfeld, huvudutredare vid Kerfeld -labbet, anser att exakt kunskap om strukturerna i de olika OCP -byggstenarna gör dem särskilt anpassade för teknik.

Det långsiktiga målet är att använda OCP och dess separata delkomponenter i nya, syntetiska system, specifikt optogenics, en nyligen utvecklad teknik som använder ljus för att styra processer i levande celler.

Optogenetik, framhölls i en 2010 vetenskaplig artikel om decenniets genombrott, "visar oss hur hjärnan fungerar, hur vi lär oss, eller hur vi vaknar. Forskare hoppas att inriktning på specifika hjärnceller hjälper oss att bota Parkinsons eller Alzheimers, även bekämpa psykiska sjukdomar.

Ljuskänsliga proteiner, liknande OCP, är nyckeln till att aktivera och kontrollera händelser i optogenetiska applikationer. Även om OCP ännu inte har prövats i en specifik optogenetisk applikation, Kerfeld Lab tror att deras egenskaper gör att de sannolikt kommer att vara användbara.

"OCP reagerar snabbare på ljus, jämfört med de nuvarande ljuskänsliga proteinerna som används i optogenetiska experiment, "Sigal säger." De är också så flexibla i hur de bryter isär och kommer tillbaka tillsammans. De är en bra kandidat. "

Hon tillägger, "Nu när vi har visat att vi kan göra artificiella hybrid -OCP, vi har ett bredare utbud av alternativ. "Till exempel, om en patient behöver flera doser medicin, deras intag kan kontrolleras med ett syntetiskt OCP som monteras och demonteras för att kontrollera doser.

Eller, OCP -domäner kan användas separat, till exempel, som en dödsbrytare för behandlingar som kräver enstaka doser, i motsats till flera cykler.

"Vi är fortfarande i den teoretiska fasen att föreställa oss tillämpningar, men vi är inte långt från där vi kan börja experimentera med syntetiska system. "