En ny strategi för att designa ljuskänsliga proteiner har utvecklats av forskare vid Ruhr-Universität Bochum (RUB). Sådana proteiner, även känt som optogenetiska verktyg, kan slås på och av genom ljusimpulser, vilket utlöser specifika cellulära processer. Dom kan, till exempel, användas för att analysera och kontrollera hur signaler överförs av nervceller. Än så länge, forskare som utvecklar optogenetiska verktyg har i stort sett tvingats tillgripa trial-and-error. En kombination av datorstödda och experimentella metoder har nu banat väg för ett mer riktat tillvägagångssätt.

I samarbete med en kollega från Münster, teamet ledd av professor Stefan Herlitze, Institutionen för allmän zoologi och neurobiologi vid RUB, och professor Klaus Gerwert, Institutionen för biofysik vid RUB, har publicerat en artikel om metoden i tidskriften " Chembiochem ", där den presenterades som omslagsartikel i utgåvan från 15 juli 2019.

Slå på och av proteiner med ljus i olika färger

Ett exempel på ett optogenetiskt verktyg är proteinet melanopsin. Den kan slås på och av med två ljussignaler i olika färger. "Ofta, mer än bara ett optogenetiskt verktyg krävs, till exempel om två olika processer måste styras i en cell oberoende av varandra, " förklarar Raziye Karapinar från institutionen för allmän zoologi och neurobiologi. "Vi måste därför se till att färgsignalerna för båda verktygen inte överlappar varandra, " tillägger Dr Till Rudack, biofysiker från Bochum.

Klaus Gerwerts och Stefan Herlitzes forskargrupp har utvecklat en hybridstrategi för målinriktad proteinutveckling av melanopsin och andra optogenetiska verktyg. För detta ändamål, forskarna kombinerade datorstödda beräkningsmetoder med elektrofysiologiska mätningar.

Datorsimulering bestämmer den aktiverande ljusfärgen

Använda datorsimuleringar av kvantkemi, de beräknade den specifika ljusfärg som krävs för att aktivera ett protein. Således, de bestämde hur enskilda proteinbyggstenar resp. utbytet av enskilda proteinbyggstenar påverkar den ljusa färgen. Datorsimuleringen genererade en lista över proteinvarianter som kvalificerar sig som potentiella optogenetiska verktyg. Senare, forskarna använde elektrofysiologiska mätningar för att analysera de lovande kandidaterna med avseende på deras optogenetiska potential. Detta inkluderar ljuskänslighet, d.v.s. hur mycket ljus behövs för att sätta på och stänga av proteinet, samt hastigheten och selektiviteten vid vilken mekanismer implementeras eller avslutas efter aktivering av omkopplaren. Ett bra optogenetiskt verktyg kan slås på och av i snabb följd vid låg ljusintensitet.

Validering med väl genomarbetat optogenetiskt verktyg

Genom att använda det väl undersökta optogenetiska verktyget Channelrhodopsin-2, teamet validerade den nya hybridstrategin. För detta protein, forskarna använde datasimulering för att verifiera hur ett utbyte av proteinbyggstenar skulle påverka den aktiverande ljusfärgen. Prognoserna motsvarade de värden som uppmättes i experiment. "Denna match visar hur pålitlig vår strategi är, och det validerar också dess tillämpning för proteiner som vi inte vet mycket om, såsom melanopsin, " säger biofysikern Dr Stefan Tennigkeit.

Nya melanopsinvarianter

Med sin strategi, gruppen utbytte specifika proteinbyggstenar i melanopsin, manipulerar därmed ljusfärgen för molekylaktivering, utan att försämra proteinfunktionen. Den ljusa färgen som aktiverar den vanliga melanopsinversionen överlappar den hos många andra optogenetiska verktyg - vilket är anledningen till att de inte kan användas i kombination. "Jag är övertygad om att det kommer att vara möjligt att kombinera denna nya melanopsinvariant med andra optogenetiska verktyg i framtiden, för att kontrollera komplexa cellulära processer, säger Stefan Herlitze.

"Till skillnad från traditionella proteinteknikmetoder baserade på trial-and-error, vårt tillvägagångssätt sparar mycket tid tack vare automatiserade datorstödda prognoser som kan beräknas på flera datorer samtidigt, avslutar Klaus Gerwert.