Optogenetik, metoden att använda ljus för att styra viktiga processer, har revolutionerat hur forskare undersöker cellulära signalvägar, cellulärt beteende och funktionen hos stora och sammankopplade vävnader som hjärnan. Denna mycket framgångsrika kombination av optik och genetik drivs av ljuskänsliga proteiner, varav många har konstruerats för att binda till varandra vid ljusstimulering. Ny forskning av forskare vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) utökar denna optogenetiska proteinverktygslåda. I studien av gruppen Harald Janovjak, drivs av första författaren och doktoranden Stephanie Kainrath, och kollegor vid Children's Cancer Research Institute i Wien, publicerad idag i Angewandte Chemie , författarna visar att bindningen frigörs när den utsätts för grönt ljus.

Tillämpningen av ljus som en stimulans har gjort det möjligt för forskare att manipulera cellulärt beteende i definierade utrymmen och i realtid och därigenom öppnat dörrar för nya typer av experiment. Metoden har, dock, blomstrade i de fall där ljuskänsliga proteindelar, kallas proteindomäner, svarade på ljuset genom att binda till varandra. Bindning aktiverar signalering. För att säkerställa att signaleringen förblir påslagen, cellerna, vävnader eller djur som studeras måste stanna i ljuset. Men konstant exponering för ljus medför risker:blekning och giftiga biverkningar av ljus observeras vanligtvis.

Kainrath och kollegor erbjuder en väg ut när de planerar om ljuskänsliga domäner som frigör deras interaktion som svar på ljus. Som en konsekvens, forskare kan nu lämna sitt studieobjekt i mörkret för att framkalla signalering, och flytta det till ljuset vid en exakt tidpunkt för att avbryta signaleringen. Författaren Stephanie Kainrath förklarar forskningens betydelse:"Vårt arbete inspirerades av önskan att imitera biologiska signaler som alltid är på, som de som driver tillväxten av vissa cancerformer. Med vårt nya verktyg kan vi också snabbt stänga av sådana signaler. Detta möjliggör nya tillvägagångssätt i både cellbaserade och djurstudier. "

Det nyutvecklade verktyget är särskilt mångsidigt eftersom det reagerar på ljus i den gröna delen av det synliga ljusspektrumet. Detta är möjligt eftersom de ändamålsenliga domänerna, kallas kobalamin (vitamin B12) -bindande domäner (CBD), använda vitamin B12 för deras ljusrespons. Det insågs nyligen att vitamin B12 inte bara är viktigt för människokroppens funktion utan också används i bakterier som en ljussensor. Kainrath och kollegor demonstrerar användningen av dessa domäner genom att länka dem till ett ryggradsdjurreceptorprotein som kallas fibroblast tillväxtfaktorreceptor 1 (FGFR1). Normalt når en del av dessa receptorer till utsidan av cellen där den kan fånga upp fibroblasttillväxtfaktorer, orsakar två receptorer att binda till varandra och aktivera signalering på insidan av cellen. De konstruerade optogenetiska FGFR1 -proteinerna binder till varandra i mörkret via CBD och aktiverar signalering. Bara i grönt ljus, bindningen släpps och signaleringen upphör.

Experiment med zebrafiskembryon visar potentialen för detta nya tillvägagångssätt för djurstudier. Zebrafiskembryon modifierade för att producera den konstruerade receptorn och förvarade i mörkret visar samma utvecklingsdefekter som embryon där signalering alltid är aktiv, en situation som liknar mänskliga störningar. Däremot, embryon som fick utvecklas i grönt ljus var normala, utan några utvecklingsfel. För Martin Distel, medförfattare och gruppledare vid Barncancerforskningsinstitutet, Wien, receptorn är ett användbart verktyg för att hantera onkogenberoende, akilleshälen för vissa cancerformer:"CBD-medierad och grönt ljuskontrollerad dissociation av proteinkomplex är en användbar tillgång i den optogenetiska verktygslådan. För potentiella tillämpningar inom cancerforskning kan man tänka på onkogenberoende. Avvikande aktivering av signaler som de som är kopplade till FGF kan nu stängas av snabbt och från utsidan av ljus för att undersöka konsekvenser för cellbeteende. "

Harald Janovjak och hans grupp arbetar inom det nya området syntetisk fysiologi, som hanterar komplexa biologiska problem med tillvägagångssättet att "bygga det för att förstå det". Stephanie Kainrath gick med i IST Österrikes doktorandprogram 2015. Efter att ha klarat sin examen i december 2016, Stephanie bedriver nu forskning för sin doktorsexamen i gruppen Harald Janovjak.