A capacidade de erradicar seletivamente tipos específicos de células de organismos multicelulares permite que os cientistas decifrem as funções dessas células, mas as ferramentas disponíveis para fazer isso - sejam cirúrgicas, químico, ou genéticos - são imprecisos e longe do ideal. Agora, engenheiros de proteínas e neurobiologistas da UC San Francisco se uniram para criar um sabre de luz biológico - uma proteína projetada que pode matar células específicas simplesmente expondo-as à luz.

Essas técnicas de ablação de células têm sido particularmente importantes na neurociência. Alguns dos primeiros insights sobre a função cerebral foram baseados em observações de pacientes que tinham lesões específicas em diferentes áreas do cérebro. Os cientistas posteriormente desenvolveram métodos precisos para emular tais "experimentos na natureza, "ablação de células ou tecidos específicos para dissecar sua função normal. Mais recentemente, pesquisadores usaram ablações a laser, toxinas geneticamente desencadeadas, e até mesmo interruptores baseados em luz que acionam os agentes oxidantes em uma onda mortal. Mas essas técnicas carecem de precisão e geralmente criam mais danos, incluindo de inflamação, do que o necessário.

O novo estudo - a ser publicado durante a semana de 11 de setembro, 2017 na primeira edição online de Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) - relata que a proteína, que os cientistas apelidaram de "Caspase-LOV, "usa luz para alavancar a apoptose, uma via natural de "suicídio celular" pela qual as células podem desencadear sua própria morte em certas circunstâncias.

Caspase-LOV, concebida em experimentos conduzidos pela estudante graduada Ashley Smart, é assim chamado porque liga LOV (domínio de detecção de luz-oxigênio-voltagem), um sensor de luz molecular derivado de aveia, para caspase-3, a versão humana de uma enzima que é crucial para a apoptose.

Como a apoptose é um processo biológico fundamental, empregado durante o desenvolvimento normal para podar células desnecessárias, e descartar os defeituosos, é afiado como uma navalha e induz uma limpeza, forma não inflamatória de morte celular. Quando as células são gravemente feridas, eles derramam todo o seu conteúdo, mas as células apoptóticas encolhem e são absorvidas por células vizinhas ou por células imunes - o jogo final da caspase é uma morte celular organizada sem qualquer inflamação do tecido circundante.

"As caspases são como especialistas em demolição, "disse James A. Wells, PhD, professor e presidente de química farmacêutica na Escola de Farmácia da UCSF, e coautor sênior do novo estudo "Eles sabem onde colocar explosivos em uma ponte para derrubá-la sem ter que usar uma arma nuclear. Uma das razões para usar caspases para matar é porque o fazem de maneira muito limpa - ao contrário de células de ablação com lasers ou cirurgia, o que é confuso e impreciso, isso leva a um processo de remoção de cadáveres com o qual a natureza sabe como lidar, sem qualquer dano colateral ao tecido. "

Smart e Wells participaram do estudo do co-autor Graeme "Grae" Davis, PhD, o Professor Albert Bowers e presidente do Departamento de Bioquímica e Biofísica da UCSF, e membro do UCSF Kavli Institute for Fundamental Neuroscience.

Como a luz penetra facilmente nos embriões da mosca da fruta Drosophila, os autores acreditam que Caspase-LOV será imediatamente útil para os laboratórios, como o de Davis, que estudam este importante organismo modelo, mas eles disseram que a ferramenta também pode eventualmente ser usada em outros organismos, como ratos, usando fibra óptica para iluminar e eliminar células com precisão.

O interruptor de morte celular Caspase-LOV funciona de forma simples e elegante. Os cientistas podem decidir com antecedência quais tipos de células transportarão Caspase-LOV, e também controlar quando a luz atinge essas células para induzir a apoptose. A equipe demonstrou em seu novo estudo, por exemplo, que quando a Caspase-LOV foi expressa em neurônios motores de mosca-da-fruta, esses neurônios morreram após a exposição à luz, afetando assim a capacidade de movimento das moscas. De forma similar, a equipe foi capaz de fazer ablação seletiva de células específicas na retina simplesmente expondo os olhos compostos da mosca da fruta à luz.

Como a duração da exposição à luz está diretamente relacionada com a extensão da morte celular, Wells disse, Caspase-LOV pode ser uma ferramenta poderosa para explorar os mecanismos de neurodegeneração, um processo que ocorre durante um longo período de tempo em doenças humanas como Alzheimer e Parkinson.

"Estamos entusiasmados com isso, "disse Wells, também o Harry Wm. e Diana V. Hind Distinguished Professora de Ciências Farmacêuticas na UCSF. "Já existem alguns laboratórios usando isso, e acho que mais virão agora que publicamos essas descobertas. "