När företagspartners i Princeton Catalysis Initiative satte sig ner för två år sedan med David MacMillan, de gav honom en biologisk utmaning i hjärtat av potentiella cancerläkemedel och andra terapier:vilka proteiner på en cells yta berör varandra?

Vad de ville ha var analogt med en strålkastare som flammade in i en mörk grotta – något för att lysa ett metaforiskt ljus på ett protein och dess närmaste grannar på cellmembranet. Stor, komplexa molekyler, proteiner är livets grejer, själva stödjepunkten på vilken allt kring oss vänder sig – hur vi tänker, hur vi växer, sjukdomarna vi får. Proteiner kan avgöra detta genom att skicka meddelanden till sina grannar. Men medan forskare tidigare kunde säga vem som var inne i grottan, de kunde inte säga vem som stod bredvid vem, och därför saknade viktig kunskap om dessa viktiga protein-till-protein-kommunikationer.

Institutionen för kemi MacMillan Group meddelade i det aktuella numret av Vetenskap att de har utvecklat den där strålkastaren.

Den banbrytande tekniken, namngiven μMap av teamet av Princeton-forskare och Merck-forskare, använder en fotokatalysator – en molekyl som, när den aktiveras av ljus, sporrar till en kemisk reaktion - för att identifiera rumsliga relationer på cellytor. Katalysatorn genererar en markör som märker proteiner och deras molekylära grannar, vilket i sin tur möjliggör en exakt kartläggning av deras mikromiljö.

Tekniken kan påverka proteomik, genomik och neurovetenskap, för att nämna några av de mer uppenbara områdena. Men tillämpningarna för grundläggande biologi är så omfattande att MacMillan, som är Princetons James S. McDonnell Distinguished University Professor of Kemi, är hungrig på att få tekniken "i allas händer" för att se vad forskare inom andra områden kan hitta på.

"För den teknik vi har just nu, problemet är inte om du kan tagga saker, ", sa han. "Problemet är att du kan märka tusentals saker och så att du inte kan se vad som finns där borta och vad som finns bredvid. Det visar sig verkligen vara riktigt viktigt eftersom molekyler eller proteiner eller enzymer som signalerar varandra vanligtvis ligger precis bredvid varandra. Väl, det senaste säger dig inte vad som är nära."

Så de kom på ett radikalt nytt tillvägagångssätt.

"Vi gjorde några kritiska experiment och direkt kunde vi visa att vi märkte saker inom ett riktigt kort avstånd, MacMillan sa. "Vi vet nu exakt vad som finns i grannskapet. Och det har aldrig gjorts förut. För biologi, det kommer att bli som att slå på ljusströmbrytaren och plötsligt se allt."

Merck Exploratory Science Center (MESC) forskare Rob Oslund och Olugbeminiyi Fadeyi, pappersmedförfattare som är baserade i Cambridge, Massachusetts, sade att tekniken skulle kunna inspirera stora nya utvecklingar inom biologi. "Med tanke på den viktiga rollen att förstå proteininteraktioner inom cellulära mikromiljöer, sa Oslund, "Denna teknik har potential att vara ett spelförändrande verktyg för både akademiska och industriella life science-labb över hela världen."

μkartan, uttalad mikrokarta, identifierar grannar inom en radie av 1 till 10 nanometer runt ett visst protein. (Som referens, ett människohår är ungefär 100, 000 nanometer tvärs över.) Upplösning på denna nivå identifierar de 10 eller 15 närmaste molekylerna.

Jacob Geri, en postdoktor vid Merck Center for Catalysis vid Princeton University och en medförfattare på Vetenskap uppsats med doktoranden James Oakley och MESC-forskaren Tamara Reyes-Robles, nämnda μMap gör detta genom att använda blått ljus för att driva en katalytisk reaktion.

Så här fungerar det:Katalysatorn – i det här fallet, en organisk metallförening — är selektivt fäst till någon av ett 40-tal, 000 proteiner på en cells yta, där den fungerar som en slags antenn. Blåljus, som har en mycket hög fotonisk energi, fungerar som utlösaren. När lyste på cellen, detta blå ljus plockas upp av antennen, som omvandlar sin fotoniska energi till kemisk energi. Den latenta energin svalnar inte; det sprider sig inte; den vandrar inte planlöst längs cellmembranet och målar allt det kommer över. Den bara sitter.

Baserat på en tidning som publicerades för cirka 40 år sedan, MacMillans grupp kom på idén att använda en organisk molekyl som kallas diazirin som är särskilt mottaglig för denna latenta energi. När en diazirin rör sig mycket nära katalysatorn - inom 0,1 nanometer - överförs den kemiska energin till diazirinen. Diazirinet i sin tur reagerar så våldsamt att det släpper en biprodukt och blir vad som kallas en karben, en "arg" art som fäster sig vid närliggande proteiner.

"Katalysatorn överför så mycket energi att molekylen sliter sönder sig själv för att exponera en otroligt instabil kolatom, som sedan bara kommer att hålla sig till allt det kan, " förklarade Geri.

Katalysatorn kan utföra denna kemiska reaktion många gånger, så processen upprepar sig för alla lokaliserade molekyler, proteiner och enzymer. Eftersom karbener är så kortlivade - bara ett par nanosekunder - ger deras reaktion en livlig, ögonblicksbild i realtid av alla sammanhängande molekyler. Senare, forskare kan quilta ihop en exakt karta över mikromiljön – just den teknik som forskarna letade efter.

"Mycket av sjukdomsmekanismen sker genom hur dessa celler pratar med varandra, och de kan bara prata om de rör vid, " said Geri. "That's why the surface of the cell is so important. If they touch, they can communicate."

He added:"We can now figure out what's making that communication happen or what's making that communication change. It's really been an amazing experience, working on this."

MacMillan's group chose two categories of human cells to investigate. One was a class of proteins that had known interactions, selected as a kind of control group to prove that their interactions could be captured by μMap. The second group was "more interesting, " said Geri. It centered on proteins called PD-L1 and PD-1, which are associated with the body's immune system and its response to cancer cells.

I vanliga fall, sick cells like cancer cells would present as molecular interlopers that need to be cleared by the immune system. But cancer cells are deceptive, said MacMillan. They send out a "don't kill me" signal through a cloaking mechanism involving the PD-L1 and PD-1 axis. Since cancer therapies are successful partly based on their capacity to block that signal, scientists want to know more about how it is transmitted. Mapping the precise neighborhood is an essential early step. When researchers put the μMap catalyst on PD-L1 and PD-1, the molecules in their micro-environment are tagged. Protein-protein interactions that had previously been hypothesized could now be directly observed. And several correlations were detected that had never been conceived of.

"Nu, we don't do the cancer biology, " said MacMillan. "But we've invented this tool that can give you a lot of information about these cancer cells. We think that by using this information, you can start to target those proteins as a way to also remove interfering signals. And if you can remove those signals, you make your immune system better at going after these cancer cells."

Soon after MacMillan arrived at Princeton, he began driving research in harnessing blue LED light to perform previously impossible feats of chemistry. Merck became involved in 2006, with a seed donation toward MacMillan's research. The company has since donated additional monies, and in 2019 they announced a 10-year funding commitment towards the Princeton Catalysis Initiative, which fosters interdisciplinary collaborations to accelerate the discovery of new research areas.

"Our collaboration created a novel cellular chemistry approach leveraging photoredox catalysis to activate diazirines, an important class of organic molecules, in a temporal-controlled manner, " said Merck's Fadeyi. "Because of the routine use of diazirines within chemical biology and biology, this method will be in high demand not only for protein labeling, but for identifying the binding targets of other biomolecules to elucidate their functional roles."

He added:"The collaboration was successful due to the close interactions between Merck scientists and Dave's lab."

MacMillan likewise lauded the discovery as proof of the value of collaboration across academic and industry lines, like those envisioned when the Princeton Catalysis Initiative first came into being in 2018.

"Som kemister, we don't know any good questions in biology—zero, " han sa så, you're taking these people who know everything about biology, and they have this problem that they're trying to solve. And it's ultimately a great problem for a chemistry group. På samma gång, it's not a problem that a chemistry group would ever think about because they don't know biology. You have these two different areas and you put them together and you start to realize there all these great things you can do.

"This is what I love about the social science of science, " he added. "It is absolutely a beautiful example of how it took a village to solve a problem."