Estamos cada vez mais perto de usar a luz para ajudar a curar doenças. A chave é aproveitar o poder das proteínas que são sensíveis à luz.

O laboratório Kerfeld estuda a proteína carotenóide da laranja (OCP), exclusivo para cianobactérias (anteriormente conhecidas como algas azul-esverdeadas), que são organismos prodigiosamente produtivos na fotossíntese.

O OCP e seus homólogos, proteger as cianobactérias quando expostas a muita luz solar, que de outra forma danificaria os sistemas fotossintéticos, e se extremo, danifica a própria célula.

E assim como a luz brilhante desencadeia a atividade de OCPs, os cientistas querem usar essa resposta para ativar a engenharia, tecnologias de saúde personalizadas.

Mas primeiro, precisamos entender como o OCP e seus parentes funcionam, de acordo com Sigal Lechno-Yossef, um pós-doutorado no laboratório de Kerfeld.

Em seu último estudo, publicado em The Plant Journal , Sigal mostra como as duas partes do OCP interagem quando separadas. Ela também consegue criar novos, OCPs sintéticos, misturando e combinando os blocos de construção de diferentes tipos de OCP encontrados na natureza.

Revertendo a evolução

Na natureza, as proteínas são constituídas por um número limitado de domínios - pense nelas como blocos de Lego - que se combinam de maneiras diferentes.

O OCP é composto por dois blocos, denominado domínio C-terminal e domínio N-terminal, medido por um pigmento carotenóide que une as duas partes.

É assim que eles funcionam:

Sigal e seus colegas do Laboratório Kerfeld suspeitam que o OCP, como o conhecemos hoje, é o resultado da união dos ancestrais dos dois domínios, milhões de anos atrás. Em evolução, genes para proteínas que funcionam de forma colaborativa, às vezes se tornam permanentemente fundidos em um único, proteína maior.

Sigal reverteu esse evento evolutivo no laboratório - chame-o de devolução. "Queríamos entender melhor o processo de evolução do OCP a partir de homólogos de domínio encontrados em cianobactérias hoje, "Sigal diz.

Os cientistas quebraram a ligação carotenóide para separar uma proteína OCP. Então, eles colocaram os dois domínios em um host de teste para ver se eles se encontrariam e se conectariam novamente - basicamente refazendo o que eles acham que foi o processo evolutivo.

"Sem carotenóide, as duas partes permaneceram separadas. Uma vez que colocamos o carotenóide, eles se agarraram. Basicamente, criamos várias versões sintéticas do OCP. "

As reações OCP sintéticas foram semelhantes às de seus primos naturais na presença de luz. Mas por algum motivo, provavelmente nos detalhes de suas estruturas, apenas uma das versões sintéticas voltou a se reunir no escuro.

Como um bônus, mesmo que os dois domínios OCP tenham permanecido separados sem o parafuso carotenóide, essa configuração rendeu alguns insights interessantes.

“No OCP, o domínio N-terminal se liga ao carotenóide mais fortemente, "Diz Sigal." Quando isolamos os domínios, nós achamos isso, o domínio C-terminal, quando sozinho, pode se ligar ao carotenóide. "

Proteínas semelhantes ao domínio C-terminal são comuns em plantas, bactérias, e alguns animais, que abre novas possibilidades para explorar aplicações de engenharia em uma variedade de organismos, além das bactérias.

Usando luz em biologia sintética

Cheryl Kerfeld, investigador principal do laboratório Kerfeld, acredita que o conhecimento preciso das estruturas dos vários blocos de construção do OCP os torna especialmente receptivos à engenharia.

O objetivo de longo prazo é usar o OCP e seus subcomponentes separados em novos, sistemas sintéticos, especificamente optogênica, uma técnica desenvolvida recentemente que usa luz para controlar processos em células vivas.

Optogenética, destacado em um artigo da Science de 2010 sobre Breakthroughs of the Decade, "está nos mostrando como o cérebro funciona, como aprendemos, ou como nós acordamos. Os cientistas esperam que a segmentação de células cerebrais específicas nos ajude a curar Parkinson ou Alzheimer, até mesmo combater doenças mentais.

Proteínas sensíveis à luz, semelhante ao OCP, são a chave para ativar e controlar eventos em aplicações optogenéticas. Embora o OCP ainda não tenha sido testado em uma aplicação optogenética específica, o Kerfeld Lab acredita que suas propriedades os tornam úteis.

"Os OCPs respondem mais rápido à luz, em comparação com as proteínas sensíveis à luz atuais usadas em experimentos optogenéticos, "Sigal diz." Eles também são tão flexíveis na forma como se separam e voltam a ficar juntos. Eles são um ótimo candidato. "

Ela adiciona, "Agora que mostramos que podemos fazer OCPs híbridos artificiais, temos uma gama mais ampla de opções. "Por exemplo, se um paciente requer várias doses de medicamento, sua ingestão poderia ser controlada com um OCP sintético que monta e desmonta para controlar as dosagens.

Ou, Os domínios OCP podem ser usados ​​separadamente, por exemplo, como um kill switch para tratamentos que requerem doses únicas, em oposição a vários ciclos.

“Ainda estamos na fase teórica de imaginar aplicações, mas não estamos longe de onde podemos começar a fazer experiências com sistemas sintéticos. "