La bioluminiscencia es el proceso químico natural de producción de luz en algunos organismos que hace que las luciérnagas parpadeen y algunas medusas brillen. Los científicos llevan mucho tiempo interesados en tomar prestados los secretos de los genes productores de luz de estos animales para producir efectos similares en vertebrados para una variedad de aplicaciones biomédicas.
Andy, profesor asistente de ingeniería biomolecular en UC Santa Cruz, está desarrollando proteínas totalmente sintéticas que producen bioluminiscencia para que sirvan como método no invasivo para bioimagen, diagnóstico, descubrimiento de fármacos y más. Un nuevo artículo publicado en la revista insignia. química Él y su grupo informan sobre una nueva serie de proteínas bioluminiscentes diseñadas, que son pequeñas, eficientes, altamente estables y pueden generar múltiples colores de luz para obtener imágenes en tiempo real en modelos celulares y animales.
Este campo de diseño de proteínas que no se encuentran en la naturaleza, llamado “de nuevo “Protein Design” ganó recientemente el Premio Nobel de Química 2024 para un grupo de científicos, incluido David Baker, su asesor postdoctoral. El alumno se construyó utilizando software de diseño de proteínas y métodos de predicción de estructuras desarrollados por DeepMind, cuyo fundador también compartió un. Premio Nobel.
“Lo llamamos así. de nuevo Diseño de proteínas, porque estas proteínas se diseñan computacionalmente desde cero, no se encuentran en la naturaleza ni en la evolución. “Demostramos el uso de un concepto recientemente galardonado con el Premio Nobel para construir nuevas enzimas emisoras de luz, que sirven como sondas ópticas para estudios biológicos”, dijo Yeh.
Sondas de imágenes mejoradas más allá de la fluorescencia
Muchos investigadores y médicos utilizan técnicas de imágenes de fluorescencia para comprender enfermedades, ayudar en el descubrimiento de fármacos y más. Una sonda de fluorescencia requiere luz de excitación externa para brillar. Cuando la luz externa incide sobre el tejido, cada célula responde, produciendo una gran cantidad de luz de fondo que dificulta que el investigador o el médico distingan lo que están buscando.
Las imágenes bioluminiscentes se diferencian en que están “libres de excitación”: todo el proceso de emisión de luz ocurre al nivel de una reacción química. La bioluminiscencia no produce ninguna respuesta a la luz de fondo, lo que la hace muy eficaz para obtener imágenes de características que pueden estar en lo profundo del tejido, como los tumores.
El artículo muestra que las proteínas emisoras de luz de los investigadores funcionan a nivel de moléculas, células y un animal entero, lo que las hace más generalizables a una variedad de investigaciones científicas. Es especialmente adecuado para no agresores. vivo Imágenes porque pueden revelar información sobre procesos biológicos dentro del tejido en tiempo real sin extraer la muestra del cuerpo.
Visualizando múltiples eventos biológicos
Estas proteínas especialmente diseñadas son “ortogonales” y su centro de reacción se adapta a la forma de la molécula emisora de luz diseñada. Esto significa que la enzima diseñada no reacciona con otras moléculas similares que un investigador o médico esté utilizando al mismo tiempo.
“La reacción diseñada es muy específica, por lo que puede usarse junto con enzimas emisoras de luz existentes, porque la enzima reconoce una molécula diferente”, dijo Yeh. “La gente ya utiliza enzimas emisoras de luz naturales para muchas investigaciones biológicas, y no estamos reinventando la rueda. Estamos construyendo conjuntos de herramientas adicionales que funcionan mejor y la bioluminiscencia se puede utilizar junto con herramientas familiares para la comunidad científica. “
Él y su equipo también desarrollaron una forma de cambiar el color de la luz emitida por las proteínas. Normalmente, estas enzimas emiten luz azul, pero mediante un eficiente proceso de transferencia de energía, los investigadores lograron emitir luz verde, amarilla, naranja y roja. Esto permitiría a un investigador o médico monitorear muchas propiedades biológicas diferentes, conocidas como “multiplexación”, que es importante para estudiar procesos complejos como el desarrollo del cáncer.
Una nueva era de de nuevo Diseño de proteínas
de nuevo Las proteínas son altamente termoestables, lo que significa que no aparecerán a temperaturas elevadas, a diferencia de otras enzimas bioluminiscentes naturales. Una proteína altamente estable sería mucho más fácil de usar para diagnósticos en el lugar de atención, ya que reduciría la necesidad de envíos especiales a bajas temperaturas.
“Ahora hemos producido enzimas emisoras de luz con un plegamiento ideal de proteínas que la naturaleza no siempre necesita mejorar durante la evolución”, dijo. “Este es el primer ejemplo en el que hemos demostrado que las enzimas emisoras de luz artificiales pueden generar suficientes fotones en los vertebrados para obtener bioimágenes. Los métodos de diseño computacional de proteínas son cada vez mejores, al igual que las enzimas. Lo que diseñamos. Estoy seguro de que es Más o menos lo que dijo David Baker: Esto es sólo el comienzo. de nuevo Diseño de proteínas.”
