Optogenética, a abordagem de usar a luz para controlar processos-chave, revolucionou a forma como os pesquisadores investigam as vias de sinalização celular, comportamento celular e a função de tecidos grandes e interconectados, como o cérebro. Esta combinação de ótica e genética altamente bem-sucedida é alimentada por proteínas sensíveis à luz, muitos dos quais foram projetados para se ligarem uns aos outros mediante estimulação de luz. Uma nova pesquisa feita por cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (IST Áustria) expande essa caixa de ferramentas de proteínas optogenéticas. No estudo do grupo de Harald Janovjak, conduzido pela primeira autora e estudante de doutorado Stephanie Kainrath, e colegas do Children's Cancer Research Institute em Viena, publicado hoje em Angewandte Chemie , os autores demonstram a liberação de ligação quando expostos à luz verde.

A aplicação da luz como estímulo permitiu aos pesquisadores manipular o comportamento celular em espaços definidos e em tempo real e, assim, abrir portas para novos tipos de experimentos. O método tem, Contudo, floresceu nos casos em que partes de proteínas sensíveis à luz, chamados domínios de proteína, responderam à luz ligando-se um ao outro. A vinculação ativa a sinalização. Para garantir que a sinalização permaneça ligada, as células, tecidos ou animais em estudo precisam permanecer na luz. Mas a exposição constante à luz acarreta riscos:branqueamento e efeitos colaterais tóxicos da luz são comumente observados.

Kainrath e seus colegas oferecem uma saída ao redefinirem os domínios sensíveis à luz que liberam sua interação em resposta à luz. Como consequência, os pesquisadores agora podem deixar seu objeto de estudo no escuro para induzir a sinalização, e mova-o para a luz em um ponto de tempo preciso para interromper a sinalização. A primeira autora, Stephanie Kainrath, explica o significado da pesquisa:"Nosso trabalho foi inspirado pelo desejo de imitar sinais biológicos que estão sempre ativos, como aqueles que impulsionam o crescimento de certos tipos de câncer. Com nossa nova ferramenta, também podemos desligar rapidamente esses sinais. Isso permite novas abordagens em estudos baseados em células e em animais. "

A ferramenta recentemente projetada é especialmente versátil, pois responde à luz na parte verde do espectro de luz visível. Isso é possível porque os domínios reaproveitados, chamados domínios de ligação à cobalamina (vitamina B12) (CBDs), utilizam vitamina B12 para sua resposta à luz. Recentemente, percebeu-se que a vitamina B12 não é apenas essencial para o funcionamento do corpo humano, mas também é usada em bactérias como um sensor de luz. Kainrath e colegas demonstram o uso desses domínios ligando-os a uma proteína receptora de vertebrados chamada receptor 1 do fator de crescimento de fibroblastos (FGFR1). Normalmente, uma parte desses receptores atinge o exterior da célula, onde pode capturar fatores de crescimento de fibroblastos, fazendo com que dois receptores se liguem um ao outro e ativem a sinalização no interior da célula. As proteínas FGFR1 optogenéticas projetadas ligam-se umas às outras no escuro por meio dos CBDs e ativam a sinalização. Somente na luz verde, a ligação é liberada e a sinalização é interrompida.

Experimentos em embriões de peixe-zebra mostram o potencial desta nova abordagem para estudos em animais. Embriões de peixe-zebra modificados para produzir o receptor modificado e mantidos no escuro mostram os mesmos defeitos de desenvolvimento que os embriões nos quais a sinalização está sempre ativa, uma situação que se assemelha a distúrbios humanos. Por contraste, embriões que puderam se desenvolver em luz verde eram normais, sem quaisquer defeitos de desenvolvimento. Para Martin Distel, coautor e líder de grupo no Children's Cancer Research Institute, Viena, o receptor é uma ferramenta útil para lidar com a dependência de oncogene, o calcanhar de Aquiles de alguns cânceres:"A dissociação de complexos de proteínas mediada por CBD e controlada por luz verde é um recurso útil na caixa de ferramentas optogenética. Para aplicações potenciais na pesquisa do câncer, pode-se pensar na adição de oncogene. Ativação aberrante de sinais, como aqueles ligados a Os FGFs agora podem ser desligados rapidamente e de fora pela luz para investigar as consequências no comportamento celular. "

Harald Janovjak e seu grupo trabalham no novo campo da fisiologia sintética, que aborda problemas biológicos complexos com a abordagem de "construí-lo para entendê-lo". Stephanie Kainrath ingressou no programa de doutorado do IST Áustria em 2015. Após ser aprovada no exame de qualificação em dezembro de 2016, Stephanie agora faz pesquisas para seu doutorado no grupo de Harald Janovjak.