Glödande varelser som eldflugor och maneter är intressanta för forskare, eftersom deras bioluminescerande molekyler bidrar till att visualisera en mängd biologiska processer. Nu, forskare i Japan har överladdat dessa molekyler, gör dem hundratals gånger ljusare i djupa vävnader och möjliggör avbildning av celler utanför kroppen. Den biokonstruerade ljuskällan användes för att spåra cancerceller hos möss och hjärncellsaktivitet hos apor, men dess tillämpningar sträcker sig utanför labbet.

Bioluminescens är resultatet av ett partnerskap. Ett enzym, I detta fall, luciferas som härrör från eldflugor, katalyserar substratet D-luciferin, skapar ett gröngult sken i processen. Det har gjorts avsevärd forskning för att göra denna process mer effektiv, till exempel, genom att byta ut luciferin mot syntetiska analoger och förbättra katalyshastigheten. Atsushi Miyawaki och kollegor försökte gå längre, förfina båda ingredienserna för att skapa AkaBLI, ett helt biokonstruerat bioluminescenssystem för in vivo-användning. Forskningen har publicerats i Vetenskap .

Baserat på tidigare arbete, forskarna visste att ett syntetiskt luciferin som heter AkaLumine-HCl kan penetrera blod-hjärnbarriären och producera ett rödaktigt ljus som är lättare att se i kroppsvävnader. Det var inte särskilt kompatibelt med det naturliga luciferaset, dock, så de muterade successivt enzymet för att förbättra parningen med AkaLumine-HCl. Det resulterande Akaluc-proteinet är både en effektivare katalysator för substratet och uttrycks mer rikligt av celler. I musens hjärna, denna kombination av Akaluc som katalyserar AkaLumine-HCl, dubbad AkaBLI, resulterade i en bioluminescenssignal 1000 gånger starkare än den från den naturliga luciferas-luciferinreaktionen. På andra ställen i kroppen, bara en eller två glödande celler var tydligt synliga inifrån muslungan, något som kan vara användbart för att övervaka transplanterade celler.

Bioluminescens kan införas enkelt och frivilligt genom att inkludera AkaBLI i djurs dricksvatten, som ger den mest ihållande glöden, även om injicering av molekylerna gav större intensitet. "Den grundläggande förbättringen, fastän, är den praktiska tillämpbarheten för fysiologiska studier in vivo, säger Miyawaki.

Med AkaBLI, hur hjärnans aktivitet och strukturer förändras med beteende kan direkt observeras över tid. I ett experiment där möss exponerades för bekanta och nya burmiljöer, samma neuroner i hippocampus kunde registreras under flera dagar. "Detta är första gången en så liten ensemble av några dussin djupa neuroner relaterade till ett specifikt inlärningsbeteende kan visualiseras icke-invasivt, " säger Miyawaki. Och i en silkesapa, forskarna kunde spåra djupa hjärnans neuroner i mer än ett år med AkaBLI. Potentialen för denna typ av stabil och långvarig bioluminescens för att förstå neurala kretsar under naturliga beteenden, konstaterar Miyawaki, är lovande.