Esquemas do mecanismo de agrupamento CRY2PHR acionado por luz azul. Neste sistema optogenético, O agrupamento CRY2 (azul e rosa) é reversivelmente controlado pela luz azul. Se CRY2 estiver ligado a proteínas fluorescentes (verde), o tempo e os recursos de agrupamento podem ser visualizados e medidos por microscópio confocal. Os cientistas levantam a hipótese de que, se as proteínas fluorescentes forem pré-montadas em pares ou pequenos grupos (b), a técnica leva a aglomerados fluorescentes maiores. Crédito:Institute for Basic Science
Um dos desafios atuais da biologia é compreender fenômenos que mudam rapidamente. Interessantemente, apenas uma pequena fração deles é devido a proteínas agindo isoladamente, a maioria dos eventos biológicos é regulada por proteínas agindo juntas em clusters. Pesquisadores do Centro de Cognição e Socialidade, dentro do Institute for Basic Science (IBS), desenvolveram uma nova ferramenta, chamado "CRY2clust", para desencadear a formação de aglomerados de proteínas em resposta à luz azul. Esta nova técnica tem uma taxa de resposta muito mais rápida e maior sensibilidade à luz do que os métodos existentes. Publicado em Nature Communications , esta nova ferramenta pode avançar nosso entendimento sobre inúmeros mecanismos moleculares e celulares.
CRY2clust é baseado em uma proteína fotorreceptora chamada criptocromo 2 (CRY2), derivado da planta Arabidopsis thaliana. CRY2 medeia o crescimento e desenvolvimento da planta, e mais especificamente, uma parte do CRY2, conhecido como CRY2 Photolyase Homology Region (CRY2PHR), faz com que essa proteína se reúna em resposta à porção azul da luz solar.
Os recursos do CRY2PHR já chamaram a atenção dos cientistas, que o transformou em uma ferramenta para optogenética, uma técnica inovadora baseada em biologia e ótica que permite o controle artificial de eventos biológicos com luz laser. Graças à optogenética, atividades celulares bem definidas podem ser facilmente ligadas e desligadas em locais e horários específicos. Por exemplo, proteína de interesse ligada ao CRY2PHR se reúnem na presença de luz azul e se desmontam quando a luz é desligada, resultando em diferentes efeitos biológicos. Contudo, cientistas relataram que a eficiência desses sistemas varia dramaticamente dependendo do tipo de proteínas-alvo ligadas ao CRY2PHR, limitando seu uso. A equipe IBS procurou melhorá-lo:"A estrutura 3D do CRY2 ainda não foi definida, por isso, temos tentado diferentes estratégias para entender como ele funciona dentro das células e para torná-lo mais eficiente, "explica KIM Na Yeon, um aluno de doutorado da equipe.
Comparação do OPTOSTIM1 original (com CRY2PHR) e OPTOSTIM1 com o novo CRY2clust. Neste experimento, tanto o CRY2PHR quanto o recentemente desenvolvido CRY2clust foram ligados a uma proteína que regula a abertura dos canais de cálcio na célula. A luz azul induz este regulador do canal de cálcio a se agrupar e, como consequência, os canais de cálcio se abrem. A análise da ingestão de cálcio pelas células mostrou que o novo CRY2clust é duas vezes mais rápido. Maior intensidade (amarelo-branco) significa que mais cálcio entrou na célula.
A nova ferramenta optogenética desenvolvida por pesquisadores do IBS, CRY2clust, consiste em CRY2PHR mais 9 resíduos de aminoácidos, que foram projetados para maximizar seu desempenho. Em comparação com outros sistemas optogenéticos derivados de CRY2, como CRY2olig, CRY2clust desencadeia associação e dissociação de proteínas mais rápidas, quando a luz é ligada e desligada, respectivamente. É funcional em baixa intensidade de luz azul (90 microwatt / mm2). Além disso, uma vez que não se acumula em estruturas nucleares, chamados de manchas nucleares, pode ser útil estudar processos nucleares.
A equipe aplicou CRY2clust com sucesso a duas ferramentas optogenéticas disponíveis:OptoSTIM1 e Raf1. Em 2015, o mesmo centro de pesquisa IBS criou um regulador de canais de cálcio controlado por luz, OptoSTIM1, e usei para melhorar a memória do mouse. Em ambos os casos, substituir o CRY2PHR pelo CRY2clust aumentou a velocidade e o desempenho dos sistemas.
"Apresentamos uma nova ferramenta optogenética dinâmica para estudar a homo-oligodimerização de proteínas, isso é agrupamento, o que pode ser útil para o kit de ferramentas do biólogo, "conclui o Prof. HEO Won Do, o principal autor deste estudo. A equipe agora está trabalhando no desenvolvimento de novos sistemas optogenéticos para uso em neurociência.
