Les créatures brillantes comme les lucioles et les méduses sont intéressantes pour les chercheurs, car leurs molécules bioluminescentes contribuent à visualiser une multitude de processus biologiques. Maintenant, des scientifiques au Japon ont suralimenté ces molécules, les rendant des centaines de fois plus lumineuses dans les tissus profonds et permettant l'imagerie des cellules de l'extérieur du corps. La source lumineuse issue de la bio-ingénierie a été utilisée pour suivre les cellules cancéreuses chez la souris et l'activité des cellules cérébrales chez le singe, mais ses applications s'étendent au-delà du laboratoire.

La bioluminescence est le fruit d'un partenariat. Une enzyme, dans ce cas, luciférase dérivée des lucioles, catalyse le substrat D-luciférine, créant une lueur vert-jaune dans le processus. Des recherches considérables ont été menées pour rendre ce processus plus efficace, par exemple, en remplaçant la luciférine par des analogues synthétiques et en améliorant le taux de catalyse. Atsushi Miyawaki et ses collègues ont cherché à aller plus loin, raffiner les deux ingrédients pour créer AkaBLI, un système de bioluminescence entièrement conçu par bio-ingénierie pour une utilisation in vivo. La recherche a été publiée dans Science .

Sur la base de travaux antérieurs, les chercheurs savaient qu'une luciférine synthétique appelée AkaLumine-HCl est capable de pénétrer la barrière hémato-encéphalique et de produire une lumière rougeâtre qui est plus facilement visible dans les tissus corporels. Elle n'était pas très compatible avec la luciférase naturelle, cependant, ils ont donc successivement muté l'enzyme pour améliorer l'appariement avec AkaLumine-HCl. La protéine Akaluc résultante est à la fois un catalyseur plus efficace pour le substrat et plus abondamment exprimée par les cellules. Dans le cerveau de la souris, cette combinaison d'Akaluc catalysant l'AkaLumine-HCl, surnommé AkaBLI, a entraîné un signal de bioluminescence 1000 fois plus fort que celui de la réaction naturelle luciférase-luciférine. Ailleurs dans le corps, seulement une ou deux cellules lumineuses étaient clairement visibles à l'intérieur du poumon de la souris, quelque chose qui pourrait être utile pour surveiller les cellules transplantées.

La bioluminescence peut être introduite facilement et volontairement en incluant AkaBLI dans l'eau de boisson des animaux, qui donne l'éclat le plus persistant, bien que l'injection des molécules ait donné une plus grande intensité. "L'amélioration fondamentale, bien que, est l'applicabilité pratique pour les études physiologiques in vivo, " dit Miyawaki.

Avec AkaBLI, comment l'activité et les structures cérébrales changent avec le comportement peut être directement observée au fil du temps. Dans une expérience dans laquelle des souris ont été exposées à des environnements de cage familiers et nouveaux, les mêmes neurones de l'hippocampe pourraient être enregistrés sur plusieurs jours. "C'est la première fois qu'un si petit ensemble de quelques dizaines de neurones profonds liés à un comportement d'apprentissage spécifique peut être visualisé de manière non invasive, " dit Miyawaki. Et chez un singe ouistiti, les chercheurs ont pu suivre les neurones du cerveau profond pendant plus d'un an à l'aide d'AkaBLI. Le potentiel de ce type de bioluminescence stable et durable pour comprendre les circuits neuronaux lors de comportements naturels, observe Miyawaki, est prometteur.