Möjligheten att selektivt utrota specifika celltyper från flercelliga organismer gör det möjligt för forskare att dechiffrera dessa cellers funktioner, men de verktyg som finns tillgängliga för detta - oavsett om de är kirurgiska, kemisk, eller genetiska - är oprecisa och långt ifrån idealiska. Nu, proteiningenjörer och neurobiologer vid UC San Francisco har samarbetat för att skapa en biologisk ljussabel - ett konstruerat protein som kan döda specifika celler helt enkelt genom att utsätta dem för ljus.

Sådana cellablationstekniker har varit särskilt viktiga inom neurovetenskap. Några av de tidigaste insikterna om hjärnans funktion baserades på observationer av patienter som hade specifika skador i olika hjärnområden. Forskare utvecklade därefter exakta metoder för att efterlikna sådana "experiment i naturen, "ablation av vissa celler eller vävnader för att dissekera deras normala funktion. Senast, forskare har använt laserablation, genetiskt utlösta toxiner, och till och med ljusbaserade omkopplare som sätter igång oxidationsmedel på en dödsresa. Men dessa tekniker saknar precision och skapar vanligtvis mer skada, inklusive från inflammation, än vad som är nödvändigt.

Den nya studien - som ska publiceras under veckan den 11 september, 2017 i Online Early Edition av Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) - rapporterar att proteinet, som forskarna kallade "Caspase-LOV, "använder ljus för att utnyttja apoptos, en naturlig "cell-självmord" -väg genom vilken celler kan utlösa sin egen död under vissa omständigheter.

Caspase-LOV, utarbetat i experiment som leds av doktoranden Ashley Smart, är så kallad eftersom den länkar LOV (ljus-syre-spänningsavkännande domän), en molekylär ljussensor härledd från havre, till caspase-3, den mänskliga versionen av ett enzym som är avgörande för apoptos.

Eftersom apoptos är en grundläggande biologisk process, används under normal utveckling för att beskära onödiga celler, och att göra sig av med defekta, den är knivskarp och framkallar en ren, icke-inflammatorisk form av celldöd. När celler skadas akut, de spills allt innehåll, men apoptotiska celler krymper och absorberas av närliggande celler eller av immunceller - caspas slutspel är en städad celldöd utan någon inflammation i omgivande vävnad.

"Caspases är som rivningsexperter, "sa James A. Wells, Doktorsexamen, professor och ordförande i farmaceutisk kemi vid UCSF School of Pharmacy, och med senior författare till den nya studien "De vet var de ska placera sprängämnen i en bro för att få ner det utan att behöva använda ett kärnvapen. En av anledningarna till att använda caspases för att döda är för att de gör det på ett mycket rent sätt - till skillnad från ablateringsceller med laser eller kirurgi, vilket är rörigt och inte exakt, detta leder till en likborttagningsprocess som naturen vet hur man hanterar, utan någon säkerhetsskada på vävnaden. "

Smart och Wells fick sällskap i studien av författaren Graeme "Grae" Davis, Doktorsexamen, Albert Bowers professor och ordförande för Institutionen för biokemi och biofysik vid UCSF, och medlem i UCSF Kavli Institute for Fundamental Neuroscience.

Eftersom ljus lätt tränger in i embryon hos fruktflugan Drosophila, författarna tror att Caspase-LOV omedelbart kommer att vara användbart för laboratorier, som Davis, som studerar denna viktiga modellorganism, men de sa att verktyget också så småningom kan användas i andra organismer, som möss, genom att använda fiberoptik för att belysa och exakt eliminera celler.

Caspase-LOV cell-death switch fungerar enkelt och elegant. Forskare kan i förväg bestämma vilka celltyper som ska bära Caspase-LOV, och även kontrollera när ljus träffar dessa celler för att inducera apoptos. Teamet demonstrerade i sin nya studie, till exempel, att när Caspase-LOV uttrycktes i frukt-flugmotoriska neuroner, dessa neuroner dog vid exponering för ljus, vilket påverkar flugornas rörelseförmåga. Liknande, laget kunde selektivt ablera specifika celler i näthinnan helt enkelt genom att utsätta fruktflugans sammansatta ögon för ljus.

Eftersom ljusexponeringens varaktighet är direkt korrelerad med celldödens omfattning, Wells sa, Caspase-LOV kan vara ett kraftfullt verktyg för att utforska mekanismerna för neurodegeneration, en process som sker under en längre tid vid mänskliga sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons.

"Vi är glada över det här, "sa Wells, även Harry Wm. och Diana V. Hind Distinguished Professor of Pharmaceutical Sciences vid UCSF. "Det finns redan ett par laboratorier som använder det, och jag tror att mer kommer att följa nu när vi har publicerat dessa fynd. "