Uma nova estratégia para projetar proteínas sensíveis à luz foi desenvolvida por pesquisadores da Ruhr-Universität Bochum (RUB). Essas proteínas, também conhecidas como ferramentas optogenéticas, pode ser ligado e desligado por meio de impulsos de luz, desencadeando assim processos celulares específicos. Eles podem, por exemplo, ser usado para analisar e controlar como os sinais são transmitidos pelas células nervosas. Até aqui, os pesquisadores que desenvolvem ferramentas optogenéticas foram praticamente forçados a recorrer ao método de tentativa e erro. Uma combinação de métodos experimentais e auxiliados por computador agora pavimentou o caminho para uma abordagem mais direcionada.

Em colaboração com um colega de Münster, a equipe liderada pelo professor Stefan Herlitze, Departamento de Zoologia Geral e Neurobiologia da RUB, e o professor Klaus Gerwert, Departamento de Biofísica da RUB, publicou um artigo sobre o método na revista " Chembiochem ", onde apareceu como matéria de capa na edição de 15 de julho de 2019.

Ligar e desligar proteínas com luz em cores diferentes

Um exemplo de ferramenta optogenética é a proteína melanopsina. Pode ser ligado e desligado por dois sinais luminosos de cores diferentes. "Muitas vezes, mais do que apenas uma ferramenta optogenética é necessária, por exemplo, se dois processos diferentes devem ser controlados em uma célula independentemente um do outro, "explica Raziye Karapinar do Departamento de Zoologia Geral e Neurobiologia." Devemos, portanto, garantir que os sinais de cor para ambas as ferramentas não se sobreponham, "acrescenta o Dr. Till Rudack, biofísico de Bochum.

A equipe de pesquisa de Klaus Gerwert e Stefan Herlitze desenvolveu uma estratégia híbrida para a engenharia de proteína direcionada de melanopsina e outras ferramentas optogenéticas. Para este fim, os pesquisadores combinaram métodos de cálculo auxiliados por computador com medições eletrofisiológicas.

A simulação de computador determina a ativação da cor da luz

Usando simulações de computador de química quântica, eles calcularam a cor de luz específica necessária para ativar uma proteína. Assim, eles determinaram como os blocos de construção de proteínas individuais resp. a troca de blocos de construção de proteínas individuais afeta a cor da luz. A simulação de computador gerou uma lista de variantes de proteínas que se qualificam como ferramentas optogenéticas potenciais. Subseqüentemente, os pesquisadores usaram medições eletrofisiológicas para analisar os candidatos promissores em relação ao seu potencial optogenético. Isso inclui a sensibilidade à luz, ou seja, quanta luz é necessária para ligar e desligar a proteína, bem como a velocidade e seletividade em que os mecanismos são implementados ou encerrados após a ativação do switch. Uma boa ferramenta optogenética pode ser ligada e desligada em rápida sucessão em baixa intensidade de luz.

Validação com ferramenta optogenética bem pesquisada

Usando a ferramenta optogenética bem pesquisada Channelrhodopsin-2, a equipe validou a nova estratégia híbrida. Para esta proteína, os pesquisadores usaram simulação de computador para verificar como uma troca de blocos de construção de proteínas afetaria a ativação da cor da luz. Os prognósticos corresponderam aos valores medidos em experimentos. "Esta partida mostra o quão confiável é nossa estratégia, e também valida sua aplicação para proteínas sobre as quais não sabemos muito, como a melanopsina, "diz o biofísico Dr. Stefan Tennigkeit.

Novas variantes de melanopsina

Com sua estratégia, o grupo trocou blocos de construção de proteínas específicas na melanopsina, manipulando assim a cor da luz para a ativação da molécula, sem prejudicar a função da proteína. A cor clara que ativa a versão usual da melanopsina se sobrepõe à de muitas outras ferramentas optogenéticas - é por isso que não podem ser usadas em combinação. "Estou convencido de que será possível combinar esta nova variante da melanopsina com outras ferramentas optogenéticas no futuro, a fim de controlar processos celulares complexos, "diz Stefan Herlitze.

"Ao contrário dos métodos tradicionais de engenharia de proteínas baseados em tentativa e erro, nossa abordagem economiza muito tempo graças aos prognósticos automatizados auxiliados por computador que podem ser calculados em vários computadores ao mesmo tempo, "conclui Klaus Gerwert.