La mayoría de los seres vivos contienen proteínas que reaccionan a la luz. Incluso los organismos que no tienen ojos ni otros órganos visuales utilizan estas proteínas para regular muchos procesos celulares, como la transcripción, la traducción, el crecimiento celular y la supervivencia celular.

El campo de la optogenética se basa en estas proteínas para comprender y manipular mejor estos procesos. Usando láseres y versiones genéticamente modificadas de estas proteínas naturales, conocidas como sondas, los investigadores pueden activar y desactivar una variedad de vías celulares, como si se accionara un interruptor.

Ahora, los investigadores de Penn Engineering han descrito un nuevo tipo de proteína optogenética que puede controlarse no solo con la luz, sino también con la temperatura, lo que permite un mayor grado de control sobre el procesamiento de las vías celulares. La investigación abrirá nuevos horizontes tanto para la ciencia básica como para la investigación traslacional.

Lukasz Bugaj, Profesor Asistente de Bioingeniería (BE), Bomyi Lim, Profesor Asistente de Ingeniería Química y Biomolecular, Brian Chow, Profesor Asociado de BE, estudiantes graduados William Benman en Bugaj Lab, Hao Deng en Lim’s Lab, Erin Berlew e Ivan Kuznetsov en el laboratorio de Zhao, publicaron su estudio en naturaleza química biología. Arndt Siekmann, profesor asistente de biología celular y crecimiento en la Escuela de Medicina Perelman, y Caitlyn Parker, técnica de investigación en su laboratorio, también contribuyeron a esta investigación.

El objetivo original del equipo era desarrollar una sonda de un solo componente que pudiera procesar de manera más eficiente vías celulares específicas. Su modelo de sonda era una proteína llamada BcLOV4, y al investigar más a fondo la función de esta proteína, hicieron un descubrimiento fortuito: que la proteína está controlada por la luz y la temperatura.

“Las proteínas activadas por luz son un nuevo tipo de herramienta de investigación que ha aumentado la precisión en la forma en que estudiamos y entendemos la función celular”, dice Bogaj. “Nuestro objetivo original era crear herramientas más simples y efectivas para controlar dos vías de señalización separadas que son centrales para la fisiología celular y generalmente tienen un papel en el cáncer”.

Estas vías de señalización celular, Ras y PI3K, desempeñan un papel en la regulación de la muerte celular, por lo que comprenderlas mejor puede ayudarnos a comprender cómo las células sanas interactúan con la enfermedad y por qué las células cancerosas crecen y se propagan constantemente.

Las sondas convencionales para estas vías suelen incluir dos proteínas ópticas distintas que pueden requerir una tediosa optimización de sus cantidades relativas en la célula. Si bien esta mejora es sencilla en células individuales, es más desafiante cuando se observan tejidos u organismos completos.

“En comparación con las sondas anteriores, nos basamos en una sola proteína llamada BcLOV4, que fue descrita recientemente por el laboratorio de Brian Chao”, dice Bogaj. “Como proteína única, BcLOV4 puede estimular la señalización de una manera que requería múltiples proteínas en enfoques anteriores, lo que lo hace más simple y fácil de usar”.

Los autores demostraron con éxito que las sondas basadas en BcLOV4 pueden inducir vías Ras y PI3K en células de mamíferos, así como en peces cebra y moscas de la fruta, dos organismos modelo comunes.

“Sin embargo, en el curso de nuestros experimentos, descubrimos accidentalmente que BcLOV4 puede detectar no solo la luz, sino también la temperatura”, dice Bujaj. “Hasta donde sabemos, este tipo de sensibilidad dual a la luz y la temperatura es una característica completamente nueva de las proteínas fotosensoriales”.

“La mayor parte de nuestro artículo caracteriza esta sensibilidad dual a la luz y la temperatura, y explora diferentes sistemas experimentales distintos de las células de mamíferos donde se pueden aplicar nuestras herramientas, como la mosca. células y el desarrollo del pez cebra, y luego describir nuevas capacidades experimentales que aumentan la sensibilidad a la luz y la temperatura”.

Cuando el equipo descubrió control de temperatura En esta proteína optogenética, modelaron diferentes condiciones de luz y temperatura para predecir cómo respondería la proteína. También descubrieron que al usar la temperatura para desactivar BcLOV4, podían controlar varias proteínas fotosensibles de forma independiente dentro de la misma célula.

“Para quienes estudian las proteínas sensibles a la luz, nuestro trabajo proporciona un ejemplo de una proteína cuya actividad responde a dos estímulos diferentes, ligero Y la temperatura, indica la posible presencia de otras proteínas”, dice Bujaj. Este hallazgo también abre nuevas posibilidades para un control remoto más complejo y de múltiples entradas de la función celular. Nuestro trabajo también tiene implicaciones para el nuevo campo de la termogénesis, o control celular mediante la temperatura, que ya se está utilizando como control remoto para terapias celulares diseñadas en modelos animales”.

“El comportamiento sensible a la temperatura de BcLOV4 es diferente a cualquiera descrito anteriormente”, dice. “el proteína Altera la localización celular en función de la temperatura y, por lo tanto, anuncia una clase completamente nueva de temperaturaProteínas que responden con capacidades únicas. ”