Nous nous rapprochons de l'utilisation de la lumière pour aider à guérir les maladies. La clé est d'exploiter le pouvoir des protéines sensibles à la lumière.

Le laboratoire de Kerfeld étudie la protéine caroténoïde orange (OCP), unique aux cyanobactéries (anciennement appelées algues bleu-vert), qui sont des organismes prodigieusement productifs lors de la photosynthèse.

L'OCP et ses homologues, protéger les cyanobactéries lorsqu'elles sont trop exposées au soleil, qui autrement endommageraient les systèmes photosynthétiques, et si extrême, endommage la cellule elle-même.

Et tout comme la lumière brillante déclenche l'activité des OCP, les scientifiques veulent utiliser cette réponse pour activer technologies de santé personnalisées.

Mais d'abord, nous devons comprendre le fonctionnement de l'OCP et de ses proches, selon Sigal Lechno-Yossef, un post-doc au laboratoire de Kerfeld.

Dans sa dernière étude, Publié dans Le Journal des Plantes , Sigal montre comment les deux parties de l'OCP interagissent lorsqu'elles sont séparées. Elle parvient également à créer de nouveaux, OCP synthétiques en mélangeant et en faisant correspondre les éléments constitutifs de différents types d'OCP trouvés dans la nature.

Inverser l'évolution

Dans la nature, les protéines sont constituées d'un nombre limité de domaines - pensez-y comme des blocs Lego - qui se combinent de différentes manières.

L'OCP est composé de deux blocs, appelé domaine C-terminal et domaine N-terminal, enjambé par un pigment caroténoïde qui boulonne les deux parties ensemble.

Voici comment ils fonctionnent :

Sigal et ses collègues du Kerfeld Lab soupçonnent que l'OCP, tel que nous le connaissons aujourd'hui, est le résultat de l'union des ancêtres des deux domaines, il y a des millions d'années. En évolution, les gènes des protéines qui fonctionnent en collaboration sont parfois fusionnés de façon permanente en un seul, protéine plus grosse.

Sigal a inversé cet événement évolutif en laboratoire - appelez-le dévolution. "Nous voulions mieux comprendre le processus d'évolution de l'OCP à partir d'homologues de domaine trouvés aujourd'hui chez les cyanobactéries, " dit Sigal.

Les scientifiques ont rompu la liaison caroténoïde de connexion pour séparer une protéine OCP. Puis, ils ont mis les deux domaines dans un hôte de test pour voir s'ils se retrouveraient et se connecteraient à nouveau - retraçant essentiellement ce qu'ils pensaient être le processus évolutif.

"Sans caroténoïde, les deux parties sont restées séparées. Une fois que nous avons mis le caroténoïde, ils se sont accrochés l'un à l'autre. Nous avons essentiellement créé plusieurs versions synthétiques de l'OCP."

Les réactions OCP synthétiques étaient similaires à celles de leurs cousins ​​naturels en présence de lumière. Mais pour une raison quelconque, probablement dans les détails fins de leurs structures, une seule des versions synthétiques s'est reconstituée dans le noir.

En prime, même si les deux domaines OCP sont restés séparés sans le boulon caroténoïde, cette configuration a donné des informations intéressantes.

« A l'OCP, le domaine N-terminal se lie plus fortement au caroténoïde, " dit Sigal. " Quand nous avons isolé les domaines, nous avons trouvé que, le domaine C-terminal, quand tout seul, peut se lier au caroténoïde."

Les protéines similaires au domaine C-terminal sont répandues dans les plantes, bactéries, et quelques animaux, qui ouvre de nouvelles possibilités pour explorer des applications d'ingénierie dans une gamme d'organismes, au-delà des bactéries.

Utiliser la lumière en biologie synthétique

Cheryl Kerfeld, chercheur principal au laboratoire de Kerfeld, pense que la connaissance précise des structures des différents blocs de construction de l'OCP les rend particulièrement aptes à l'ingénierie.

L'objectif à long terme est d'utiliser l'OCP et ses sous-composants distincts dans de nouveaux, systèmes synthétiques, spécifiquement optogénique, une technique récemment développée qui utilise la lumière pour contrôler les processus dans les cellules vivantes.

Optogénétique, souligné dans un article scientifique de 2010 sur les percées de la décennie, " nous montre comment fonctionne le cerveau, comment on apprend, ou comment nous nous réveillons. Les scientifiques espèrent que le ciblage de cellules cérébrales spécifiques nous aidera à guérir la maladie de Parkinson ou d'Alzheimer, même lutter contre les maladies mentales.

Protéines photosensibles, similaire à l'OCP, sont essentiels pour activer et contrôler les événements dans les applications optogénétiques. Bien que l'OCP n'ait pas encore été essayé dans une application optogénétique spécifique, le Kerfeld Lab pense que leurs propriétés les rendent susceptibles d'être utiles.

"Les OCP répondent plus rapidement à la lumière, par rapport aux protéines photosensibles actuelles utilisées dans les expériences d'optogénétique, " dit Sigal. "Ils sont aussi si flexibles dans la façon dont ils se séparent et se réunissent. C'est un excellent candidat."

Elle ajoute, "Maintenant que nous avons montré que nous pouvons fabriquer des OCP hybrides artificiels, nous avons un plus large éventail d'options." Par exemple, si un patient a besoin de plusieurs doses de médicament, leur apport pourrait être contrôlé avec un OCP synthétique qui s'assemble et se désassemble pour contrôler les dosages.

Ou, Les domaines OCP pourraient être utilisés séparément, par exemple, comme coupe-circuit pour les traitements qui nécessitent des doses uniques, contrairement aux cycles multiples.

« Nous sommes encore dans la phase théorique d'imaginer des applications, mais nous ne sommes pas loin de l'endroit où nous pouvons commencer à expérimenter des systèmes synthétiques."