La bioluminiscencia es el proceso químico natural de producción de luz en algunos organismos vivos que hace que las luciérnagas parpadeen y algunas medusas brillen. Los científicos llevan mucho tiempo interesados en tomar prestados los secretos de los genes productores de luz de estos animales, para producir efectos similares en los vertebrados, para diversas aplicaciones biomédicas.
Andy Ye, profesor asistente de ingeniería biomolecular de UC Santa Cruz, está diseñando proteínas completamente sintéticas que producen bioluminiscencia para servir como un método no invasivo para bioimagen, diagnóstico, descubrimiento de fármacos y más. Un nuevo artículo publicado en la revista insignia. química Ye y su grupo informan sobre una nueva serie de proteínas bioluminiscentes diseñadas para ser pequeñas, eficientes, altamente estables y capaces de generar múltiples colores de luz para obtener imágenes en tiempo real en modelos celulares y animales.
Este campo de diseño de proteínas que no se encuentran en la naturaleza se llama “de nuevo Diseño de proteínas”, ganó recientemente el Premio Nobel de Química 2024 por un equipo de científicos que incluye a David Baker, asesor postdoctoral de Yeh. Las proteínas descritas en el artículo se crearon utilizando un software de diseño de proteínas de aprendizaje profundo desarrollado por el grupo de Baker, así como proteínas. Métodos de predicción de estructuras producidos por DeepMind, cuyo fundador también compartió el Premio Nobel.
“Lo llamamos de nuevo Diseño de proteínas, porque estas proteínas se diseñan computacionalmente desde cero; esto no se encuentra en la naturaleza y ni siquiera en las trayectorias evolutivas. “Hemos demostrado el uso de un concepto recientemente galardonado con el Premio Nobel para crear nuevas enzimas emisoras de luz, que sirven como sondas ópticas para la investigación biológica”, dijo Ye.
Mejores sondas de imágenes más allá de la fluorescencia
Muchos investigadores y médicos utilizan técnicas de imágenes de fluorescencia para comprender enfermedades, ayudar en el descubrimiento de fármacos y más. Las sondas de fluorescencia requieren luz de excitación externa. Cuando la luz externa incide sobre un tejido, cada célula responde, produciendo mucha luz de fondo que dificulta que los investigadores o médicos distingan lo que están buscando.
Las imágenes bioluminiscentes se diferencian en que están “libres de excitación”: todo el proceso de emisión de luz ocurre a nivel de reacción química. La bioluminiscencia no produce ninguna respuesta a la luz de fondo, lo que la hace más eficaz para obtener imágenes de características profundas del tejido, como los tumores.
Este artículo muestra que las proteínas emisoras de luz de los investigadores funcionan a nivel de moléculas, células y un organismo completo, lo que las hace más generalizables a una variedad de estudios científicos. Es especialmente adecuado para no invasivos. vivo Imágenes porque pueden revelar información sobre procesos biológicos profundos dentro de un tejido en tiempo real sin extraer una muestra del cuerpo.
Visualizando múltiples fenómenos biológicos
Estas proteínas especialmente diseñadas son “ortogonales” y su centro de reacción se adapta muy bien a la forma de la molécula emisora de luz diseñada. Esto significa que la enzima diseñada no reacciona con otras moléculas similares que un investigador o médico esté utilizando al mismo tiempo.
“La reacción diseñada es muy específica, por lo que puede usarse en combinación con enzimas emisoras de luz existentes, porque la enzima reconoce una molécula diferente”, dijo Ye. “La gente ya utiliza enzimas emisoras de luz que se encuentran en la naturaleza para muchas investigaciones biológicas, y no estamos reinventando la rueda. Estamos desarrollando conjuntos de herramientas adicionales que funcionan mejor y pueden usarse junto con las herramientas de bioluminiscencia que la comunidad científica está utilizando. familiarizado con “.
Ye y su equipo también desarrollaron un método para cambiar el color de la luz emitida por las proteínas. Normalmente, estas enzimas emiten luz azul, pero mediante un eficiente proceso de transferencia de energía, los investigadores han logrado emitir luz verde, amarilla, naranja y roja. Esto permitiría a un investigador o médico controlar una variedad de propiedades biológicas conocidas como “multiplexación”, que es importante para estudiar procesos complejos como el desarrollo del cáncer.
su nueva era de nuevo Diseño de proteínas
de nuevo Las proteínas son altamente termoestables, lo que significa que no estarán expuestas a altas temperaturas, a diferencia de otras enzimas bioluminiscentes naturales. Una proteína altamente estable sería mucho más fácil de usar para diagnósticos en el lugar de atención, ya que reduciría la necesidad de envíos especializados a bajas temperaturas.
“Ahora hemos creado enzimas emisoras de luz con pliegues proteicos ideales que la naturaleza no siempre necesita optimizar durante la evolución”, dijo Ye. “Este es el primer ejemplo en el que hemos demostrado que las enzimas emisoras de luz artificiales pueden generar suficientes fotones en los vertebrados para obtener bioimágenes. Los métodos de diseño computacional de proteínas son cada vez mejores, al igual que las enzimas que diseñamos. Creo que esto es muy David What Baker dice que es verdad: esto es sólo el comienzo de nuevo Diseño de proteínas.”