Un equipo de Princeton ha desarrollado una clase de herramientas moleculares altamente adaptables y conmutables por luz con nuevas capacidades para controlar las actividades celulares. Las proteínas similares a anticuerpos, llamadas OptoBinders, permiten a los investigadores controlar rápidamente los procesos dentro y fuera de las células al dirigir su localización., con aplicaciones potenciales que incluyen la purificación de proteínas, la producción mejorada de biocombustibles y nuevos tipos de terapias dirigidas contra el cáncer.
En un par de artículos publicados el 13 de agosto en Nature Communications, los investigadores describen la creación de OptoBinders que pueden adherirse específicamente a una variedad de proteínas tanto dentro como fuera de las células. Los OptoBinders pueden unirse o liberar sus objetivos en respuesta a la luz azulEl equipo informó que un tipo de OptoBinder cambió su afinidad por sus moléculas objetivo hasta 330 veces cuando se cambió de condiciones de luz oscura a azul, mientras que otros mostraron una diferencia de cinco veces en la afinidad de unión, todo lo cual podría ser útil parainvestigadores que buscan comprender y diseñar los comportamientos de las células.
Fundamentalmente, los OptoBinders pueden apuntar a proteínas que están presentes naturalmente en las células, y su unión es fácilmente reversible al cambiar las condiciones de luz, "una nueva capacidad que no está disponible para los anticuerpos normales", dijo el coautor José Avalos, profesor asistentede la ingeniería química y biológica y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente. "La capacidad de soltar [una proteína objetivo] es realmente muy valiosa para muchas aplicaciones", dijo Avalos, incluyendo la ingeniería del metabolismo de las células, la purificación de proteínas o la producción potencial debioterapéuticos.
La nueva técnica es la última de una colaboración entre Avalos y Jared Toettcher, profesor asistente de biología molecular. Ambos se unieron a la facultad de Princeton en 2015, y pronto comenzaron a trabajar juntos en nuevas formas de aplicar la optogenética, un conjunto de técnicas queintroducir genes que codifican proteínas sensibles a la luz para controlar el comportamiento de las células.
"Esperamos que este sea el comienzo de la próxima era de la optogenética, abriendo la puerta a proteínas sensibles a la luz que pueden interactuar con prácticamente cualquier proteína en biología, ya sea dentro o fuera de las células", dijo Toettcher, elJames A. Elkins, Jr. '41 Preceptor en Biología Molecular.
Avalos y su equipo esperan usar OptoBinders para controlar el metabolismo de levaduras y bacterias para mejorar la producción de biocombustibles y otros químicos renovables, mientras que el laboratorio de Toettcher está interesado en el potencial de las moléculas para controlar las vías de señalización involucradas en el cáncer.
Los dos artículos describen diferentes tipos de aglutinantes conmutables por luz: opto-nanocuerpos y opto-monocuerpos. Los nanocuerpos se derivan de los anticuerpos de los camélidos, la familia de animales que incluye camellos, llamas y alpacas, que producen algunos anticuerpos que son más pequeñosde ahí el nombre nanocuerpo y de estructura más simple que la de los humanos u otros animales.
El pequeño tamaño de los nanocuerpos los hace más adaptables y más fáciles de trabajar que los anticuerpos tradicionales; recientemente recibieron atención por su potencial como terapia COVID-19. Los monocuerpos, por otro lado, son piezas de fibronectina humana, una proteína grandeque forma parte de la matriz entre celdas.
"Estos documentos van de la mano", dijo Avalos. Los opto-nanocuerpos se aprovechan del sistema inmunológico de estos animales, y los monocuerpos tienen la ventaja de ser sintéticos, lo que nos brinda oportunidades para diseñarlos de diferentes maneras.. "
Los dos tipos de OptoBinders incorporan un dominio sensible a la luz de una proteína que se encuentra en las plantas de avena.
"Cuando enciendes y apagas la luz, estas herramientas se unen y liberan su objetivo casi de inmediato, por lo que eso trae otro nivel de control" que antes no era posible, dijo el coautor César Carrasco-López, investigador asociado enEl laboratorio de Avalos. "Siempre que estás analizando cosas tan complejas como el metabolismo, necesitas herramientas que te permitan controlar estos procesos de una manera compleja para comprender lo que está sucediendo".
En principio, los OptoBinders podrían diseñarse para apuntar a cualquier proteína que se encuentre en una célula. Con la mayoría de los sistemas optogenéticos existentes, "siempre había que manipular genéticamente su proteína objetivo en una célula para cada aplicación en particular", dijo la coautora Agnieszka Gil,investigador postdoctoral en el laboratorio de Toettcher. "Queríamos desarrollar un aglutinante optogenético que no dependiera de una manipulación genética adicional de la proteína diana".
En una prueba de principio, los investigadores crearon un opto-nanocuerpo que se une a la actina, un componente principal del citoesqueleto que permite que las células se muevan, se dividan y respondan a su entorno. El opto-nanocuerpo fuertemente unido a la actina en la oscuridad, pero se soltó en dos minutos en presencia de luz azul. Las proteínas actina normalmente se unen para formar filamentos justo dentro de la membrana celular y redes de fibras de estrés que atraviesan la célula. En la oscuridad, el opto-nanocuerpo contra la actina se une aestas fibras; a la luz, estas interacciones de unión se interrumpen, lo que hace que el nanocuerpo óptico se esparza por toda la célula. Los investigadores incluso podrían manipular las interacciones de unión en un solo lado de la célula, un nivel de control localizado que abre nuevas posibilidades parainvestigación en biología celular.
Los OptoBinders pueden desbloquear decenas de usos innovadores, previamente inaccesibles en biología celular y biotecnología, dijo Andreas Möglich, profesor de bioquímica en la Universidad de Bayreuth en Alemania que no participó en los estudios. Pero, dijo Möglich, "haymucho más para la investigación "porque la estrategia de diseño se puede traducir fácilmente a otras moléculas, allanando el camino hacia un repertorio aún más amplio de aglutinantes sensibles a la luz personalizados.
"Los impresionantes resultados marcan un avance significativo", dijo.
"Las aplicaciones futuras dependerán de poder generar más OptoBinders" contra una variedad de proteínas objetivo, dijo Carrasco-López. "Vamos a intentar generar una plataforma para que podamos seleccionar OptoBinders contra diferentes objetivos" utilizando un estándar,protocolo de alto rendimiento, dijo, y agregó que esta es una de las primeras prioridades para el equipo a medida que reanudan sus experimentos después de que la investigación de laboratorio se detuviera esta primavera debido a COVID-19.
Más allá de las aplicaciones que involucran la manipulación del metabolismo celular para la producción de químicos microbianos, dijo Avalos, los OptoBinders podrían usarse algún día para diseñar biomateriales cuyas propiedades puedan ser cambiadas por la luz.
La tecnología también es prometedora como una forma de reducir los efectos secundarios de los medicamentos al enfocar su acción en un sitio específico del cuerpo o al ajustar las dosis en tiempo real, dijo Toettcher, quien señaló que la aplicación de luz dentro del cuerpo requeriría un dispositivo comoun implante. "No hay muchas formas de realizar la focalización espacial con farmacología normal u otras técnicas, por lo que tener ese tipo de capacidad para anticuerpos y aglutinantes terapéuticos sería algo realmente genial", dijo. "Pensamos en esto como unacambio radical en el tipo de procesos que se pueden colocar bajo control optogenético ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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