Une nouvelle stratégie de conception de protéines photosensibles a été développée par des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB). De telles protéines, également appelés outils optogénétiques, peut être allumé et éteint par des impulsions lumineuses, déclenchant ainsi des processus cellulaires spécifiques. Ils peuvent, par exemple, être utilisé pour analyser et contrôler la façon dont les signaux sont transmis par les cellules nerveuses. Jusque là, les chercheurs qui développent des outils optogénétiques ont été à peu près obligés de recourir à des essais et des erreurs. Une combinaison de méthodes assistées par ordinateur et expérimentales a maintenant ouvert la voie à une approche plus ciblée.

En collaboration avec un collègue de Münster, l'équipe dirigée par le professeur Stefan Herlitze, Département de zoologie générale et de neurobiologie de la RUB, et le professeur Klaus Gerwert, Département de biophysique de la RUB, a publié un article sur la méthode dans la revue " Chembiochem ", où il a été présenté comme l'article de couverture dans l'édition du 15 juillet 2019.

Allumer et éteindre les protéines avec de la lumière de différentes couleurs

Un exemple d'outil optogénétique est la protéine mélanopsine. Il peut être allumé et éteint par deux signaux lumineux de couleurs différentes. "Souvent, plus qu'un seul outil optogénétique est nécessaire, par exemple si deux processus différents doivent être contrôlés dans une cellule indépendamment l'un de l'autre, " explique Raziye Karapinar du Département de zoologie générale et de neurobiologie. " Il faut donc s'assurer que les signaux de couleur pour les deux outils ne se chevauchent pas, " ajoute le Dr Till Rudack, biophysicien de Bochum.

L'équipe de recherche de Klaus Gerwert et Stefan Herlitze a développé une stratégie hybride pour l'ingénierie protéique ciblée de la mélanopsine et d'autres outils optogénétiques. À cette fin, les chercheurs ont combiné des méthodes de calcul assistées par ordinateur avec des mesures électrophysiologiques.

La simulation informatique détermine la couleur de la lumière d'activation

En utilisant des simulations informatiques de chimie quantique, ils ont calculé la couleur de lumière spécifique requise pour activer une protéine. Ainsi, ils ont déterminé comment les blocs de construction des protéines individuelles resp. l'échange de blocs de construction protéiques individuels affecte la couleur de la lumière. La simulation informatique a généré une liste de variantes de protéines qui sont considérées comme des outils optogénétiques potentiels. Ensuite, les chercheurs ont utilisé des mesures électrophysiologiques pour analyser les candidats prometteurs au regard de leur potentiel optogénétique. Cela inclut la sensibilité à la lumière, c'est-à-dire la quantité de lumière nécessaire pour allumer et éteindre la protéine, ainsi que la vitesse et la sélectivité auxquelles les mécanismes sont mis en œuvre ou terminés après l'activation du commutateur. Un bon outil optogénétique peut être allumé et éteint en succession rapide à faible intensité lumineuse.

Validation avec un outil optogénétique bien documenté

En utilisant l'outil optogénétique bien documenté Channelrhodopsin-2, l'équipe a validé la nouvelle stratégie hybride. Pour cette protéine, les chercheurs ont utilisé la simulation informatique pour vérifier comment un échange de blocs de construction de protéines affecterait la couleur de la lumière activante. Les pronostics correspondaient aux valeurs mesurées expérimentalement. "Ce match montre à quel point notre stratégie est fiable, et il valide aussi son application pour des protéines dont on ne sait pas grand-chose, comme la mélanopsine, " dit le biophysicien Dr Stefan Tennigkeit.

Nouvelles variantes de mélanopsine

Avec leur stratégie, le groupe a échangé des blocs de construction de protéines spécifiques dans la mélanopsine, manipulant ainsi la couleur de la lumière pour l'activation de la molécule, sans altérer la fonction protéique. La couleur claire qui active la version habituelle de la mélanopsine chevauche celle de nombreux autres outils optogénétiques, c'est pourquoi ils ne peuvent pas être utilisés en combinaison. « Je suis convaincu qu'il sera possible à l'avenir de combiner cette nouvelle variante de mélanopsine avec d'autres outils optogénétiques, afin de contrôler des processus cellulaires complexes, " dit Stefan Herlitze.

"Contrairement aux méthodes traditionnelles d'ingénierie des protéines basées sur des essais et des erreurs, notre approche permet de gagner beaucoup de temps grâce à des pronostics automatisés assistés par ordinateur qui peuvent être calculés sur plusieurs ordinateurs en même temps, " conclut Klaus Gerwert.