Schema för CRY2PHR-klustringsmekanismen utlöst av blått ljus. I detta optogenetiska system, CRY2 (blått och rosa) klustring styrs reversibelt av blått ljus. Om CRY2 är kopplat till fluorescerande proteiner (grönt), klustringens timing och funktioner kan visualiseras och mätas med konfokalmikroskop. Forskarna antar att om de fluorescerande proteinerna är förmonterade i par eller små grupper (b), tekniken leder till större fluorescerande kluster. Kredit:Institutet för grundvetenskap
En av de nuvarande utmaningarna inom biologi är att förstå snabbt föränderliga fenomen. Intressant, endast en liten del av dem beror på proteiner som verkar isolerat, majoriteten av biologiska händelser regleras av proteiner som verkar tillsammans i kluster. Forskare vid Centrum för kognition och socialitet, inom Institutet för grundvetenskap (IBS), har utvecklat ett nytt verktyg, kallas "CRY2clust", för att utlösa proteinklusterbildning som svar på blått ljus. Denna nya teknik har en mycket snabbare svarsfrekvens och högre ljuskänslighet än befintliga metoder. Publicerad i Naturkommunikation , detta nya verktyg kan främja vår förståelse av otaliga molekylära och cellulära mekanismer.
CRY2clust är baserat på ett fotoreceptorprotein som kallas kryptokrom 2 (CRY2), kommer från växten Arabidopsis thaliana. CRY2 förmedlar växttillväxt och utveckling, och mer specifikt, en del av CRY2, känd som CRY2 Photolyase Homology Region (CRY2PHR), får detta protein att samlas som svar på den blå delen av solljuset.
CRY2PHR:s funktioner har redan uppmärksammats av forskarna, som gjorde det till ett verktyg för optogenetik, en innovativ teknik baserad på biologi och optik som tillåter konstgjord kontroll av biologiska händelser med laserljus. Tack vare optogenetik, väldefinierade cellulära aktiviteter kan enkelt slås på och av vid specifika platser och tider. Till exempel, protein av intresse bundet till CRY2PHR samlas i närvaro av blått ljus och tas isär när ljuset släcks, vilket resulterar i olika biologiska effekter. Dock, forskare har rapporterat att effektiviteten hos detta system varierar dramatiskt beroende på typen av målproteiner bundna till CRY2PHR, begränsa dess användning. IBS-teamet har försökt förbättra det:"CRY2:s 3D-struktur har inte definierats ännu, så vi har prövat olika strategier för att förstå hur det fungerar inuti celler och för att göra det mer effektivt, " förklarar KIM Na Yeon, en doktorand i teamet.
Jämförelse av den ursprungliga OPTOSTIM1 (med CRY2PHR) och OPTOSTIM1 med den nya CRY2clust. I detta experiment, antingen CRY2PHR eller den nyutvecklade CRY2-klusten var bundna till ett protein som reglerar öppningen av kalciumkanaler på cellen. Blått ljus inducerar denna kalciumkanalregulator att klunga ihop sig och som en konsekvens öppnar kalciumkanalerna. Analysen av kalciumintaget av cellerna visade att den nya CRY2-klusten är snabbare dubbelt. Högre intensitet (gul-vit) innebär att mer kalcium kom in i cellen.
Det nya optogenetiska verktyget utvecklat av IBS-forskare, CRY2clust, består av CRY2PHR plus 9 aminosyrarester, som har konstruerats för att maximera dess prestanda. I jämförelse med andra CRY2-härledda optogenetiska system, såsom CRY2olig, CRY2clust utlöser snabbare proteinassociation och dissociation, när ljuset tänds och släcks, respektive. Den är funktionell vid lägre blåljusintensitet (90 mikrowatt/mm2). Dessutom, eftersom det inte ackumuleras i kärnkraftsstrukturer, kallade kärnfläckar, det kan vara användbart att studera nukleära processer.
Teamet tillämpade CRY2clust framgångsrikt på två tillgängliga optogenetiska verktyg:OptoSTIM1 och Raf1. 2015, samma IBS forskningscenter skapade en ljusstyrd regulator av kalciumkanaler, OptoSTIM1, och använde den för att förbättra musminnet. I båda fallen, att ersätta CRY2PHR med CRY2clust ökade hastigheten och prestanda hos systemen.
"Vi har presenterat ett nytt dynamiskt optogenetiskt verktyg för att studera proteinhomo-oligodimerisering, det är klustring, vilket kan vara användbart för biologens verktygslåda, " avslutar prof. HEO Won Do, den ledande författaren till denna studie. Teamet arbetar nu med att utveckla nya optogenetiska system att använda inom neurovetenskap.
