Quando o cientista sênior Jonathan Grimm veio para Janelia, há 13 anos, ele não sabia muito sobre fluorescência ou corantes fluorescentes. Mas, como químico orgânico que trabalhava na descoberta de medicamentos na Merck, ele certamente sabia alguma coisa sobre química medicinal.



Por capricho, o líder do grupo sênior de Grimm e Janelia, Luke Lavis, decidiu tentar usar uma reação química medicinal essencial que Grimm havia adquirido na indústria farmacêutica para melhorar a química de corantes centenária. Eles pensaram que essa abordagem poderia permitir o acesso a rodaminas completamente novas e anteriormente inacessíveis – moléculas que Lavis vinha trabalhando para tornar mais brilhantes e duradouras, para que pudessem ser usadas para obter imagens melhores de células sob microscópios poderosos.

O resultado foi o início do que se tornaria os agora onipresentes e indispensáveis ​​corantes Janelia Fluor, sondas fluorescentes brilhantes, fotoestáveis ​​e permeáveis ​​às células que permitem aos biólogos ver as moléculas dentro das células. Mais de uma década depois de terem sido revelados pela primeira vez, esses corantes fluorescentes que abrangem todo o espectro de cores tornaram-se um produto básico nos laboratórios de biologia em todo o mundo.

Usando uma abordagem semelhante, Grimm, Lavis e seus colaboradores divulgaram agora o culminar de seus anos de trabalho no Journal of the American Chemical Society. :uma coleção abrangente de corantes fluorescentes adicionais à base de rodamina - um conjunto totalmente novo de corantes com desvio para o vermelho extremo que podem penetrar mais profundamente no tecido e são bons para imagens in vivo, tornando-os de vital importância para os biólogos.

A equipe também compartilhou sua abordagem – a nova química que desenvolveram para sintetizar os corantes e insights que fornecem um roteiro para projetar futuras sondas.

“Ao longo do caminho, aplicamos, modificamos ou criamos maneiras totalmente novas de produzir rodaminas que têm um escopo bastante amplo e que nos permitiram produzir tantos corantes de forma relativamente rápida”, diz Grimm. "Este é provavelmente o trabalho mais abrangente que fizemos com rodaminas até agora."

Criando uma coleção abrangente

O projeto mais recente começou no início da pandemia de COVID-19, no início de 2020. A equipe tinha acabado de lançar uma pesquisa detalhando a nova química usada para expandir a paleta de corantes Janelia Fluor.

Em seguida, eles queriam ver se poderiam aplicar o que aprenderam sobre a otimização dos corantes Janelia Fluor a outros tipos de corantes à base de rodamina, ao mesmo tempo que melhoravam ainda mais a química usada para sintetizá-los.

À medida que o mundo fechava, Grimm e Lavis planejaram uma nova química – incluindo reações químicas completamente novas – que buscavam incorporar racionalmente as lições aprendidas com os corantes Janelia Fluor em outras rodaminas clássicas, mas abaixo do ideal.

Alguns meses depois, Grimm voltou ao laboratório e começou a ver se o trabalho deles no papel poderia ser traduzido para o mundo real – e às vezes imprevisível – da química orgânica. Com as precauções COVID em vigor, Grimm trabalhou sozinho no laboratório, otimizando a química e criando os primeiros novos corantes.

“Provavelmente teria acontecido de qualquer maneira, mas para o bem ou para o mal, quando não há mais nada em que focar, ou as coisas em que focar eram ruins – como 2020 foi para todos – a química era uma boa distração”, diz Grimm.

A nova pesquisa apresenta o culminar do trabalho da equipe nos últimos três anos. Ao contrário dos corantes Janelia Fluor tradicionais, que são caracterizados por um apêndice denominado anel de azetidina, os outros corantes à base de rodamina têm diferentes substituintes que se projetam de outras partes de suas estruturas moleculares.

Munida do conhecimento da otimização dos corantes JF, a equipe modificou essas outras áreas dos corantes rodamina mais antigos para alterar sua cor, brilho, fotoestabilidade, permeabilidade celular e outras características.

O resultado é um conjunto totalmente novo de corantes à base de rodamina para geração de imagens. A equipe também foi capaz de desenvolver várias novas maneiras de fazer corantes de rodamina clássicos, permitindo-lhes criar dezenas de versões funcionais de forma relativamente rápida.

“Há muito tempo que sabíamos como a alteração da funcionalidade no ‘topo’ da molécula afeta as cores dos fluoróforos, mas também descobrimos que isso afeta fortemente as propriedades químicas do corante”, diz Lavis. "Nós exploramos isso de diferentes maneiras para criar agentes de imagem brilhantes e com desvio para o vermelho."

O capítulo final

Embora este não seja o fim da história dos corantes rodamina, o trabalho provavelmente está caminhando em uma direção diferente. Agora a equipe está focada em projetar reagentes especificamente adaptados para uso por seus colaboradores biólogos, trabalhando para construir as melhores ferramentas possíveis com o conhecimento que adquiriram.

“Podemos fazer qualquer corante de rodamina que quisermos com esta química e, portanto, a grande questão é o que faremos a seguir”, diz Lavis. "Não é o que podemos fazer, mas o que devemos fazer."

Grimm diz que o desenvolvimento deste conjunto expansivo de rodaminas, que levou mais de uma década, é uma prova do apoio do HHMI Janelia aos esforços de longo prazo que são benéficos para a comunidade científica em geral. Ter cargos permanentes de cientistas na Janelia também permite que Grimm e outros cientistas seniores dêem continuidade a um grande projeto como os corantes Janelia Fluor. Quatro dos pesquisadores da publicação mais recente também trabalharam no primeiro papel corante de rodamina que o laboratório publicou em 2011.

Para Grimm, isso também significa que ele poderá fazer o que ama:estar no laboratório, fazer química e criar ferramentas que sejam úteis para os biólogos. E, mais de 13 anos depois, ele também aprendeu algumas coisas sobre corantes fluorescentes.

“É muito gratificante ter esta linha do tempo de artigos que mostram tudo o que fizemos ao longo dos anos, e tudo começou com apenas uma reação aleatória baseada em um pequeno cálculo que Luke fez, que foi possibilitado por um método sintético que simplesmente procuramos, por capricho, simplesmente tornar a síntese do corante um pouco mais fácil”, diz Grimm. "Mesmo que um cálculo pareça ótimo, nem sempre funciona dessa maneira. Nesse caso, foi certeiro e certamente valeu a pena."

Mais informações: Jonathan B. Grimm et al, Corantes de absorção de vermelho otimizados para imagem e detecção, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05273
Informações do diário: Jornal da Sociedade Química Americana

Fornecido pelo Instituto Médico Howard Hughes