Lorsque Jonathan Grimm, scientifique principal, est arrivé à Janelia il y a 13 ans, il ne connaissait pas grand-chose à la fluorescence ou aux colorants fluorescents. Mais en tant que chimiste organique ayant travaillé dans la découverte de médicaments chez Merck, il connaissait certainement une chose ou deux en chimie médicinale.
Sur un coup de tête, Luke Lavis, chef de groupe senior de Grimm et Janelia, a décidé d'essayer d'utiliser une réaction de chimie médicinale fondamentale que Grimm avait choisie dans l'industrie pharmaceutique pour améliorer la chimie des colorants vieille de plusieurs siècles. Ils pensaient que cette approche pourrait permettre d'accéder à des rhodamines complètement nouvelles, auparavant inaccessibles :des molécules que Lavis s'était efforcée de rendre plus brillantes et plus durables afin qu'elles puissent être utilisées pour une meilleure image des cellules sous des microscopes puissants.
Le résultat a été le début de ce qui allait devenir les colorants Janelia Fluor, désormais omniprésents et indispensables, des sondes fluorescentes brillantes, photostables et perméables aux cellules qui permettent aux biologistes de voir les molécules à l’intérieur des cellules. Plus d'une décennie après leur première présentation, ces colorants fluorescents qui couvrent tout le spectre des couleurs sont devenus un incontournable des laboratoires de biologie du monde entier.
En utilisant une approche similaire, Grimm, Lavis et leurs collaborateurs ont publié le point culminant de leurs années de travail dans le Journal of the American Chemical Society. :une collection complète de colorants fluorescents supplémentaires à base de rhodamine :un tout nouvel ensemble de colorants décalés vers le rouge lointain qui peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus et sont bons pour l'imagerie in vivo, ce qui les rend d'une importance vitale pour les biologistes.
L'équipe a également partagé son approche :la nouvelle chimie qu'elle a développée pour synthétiser les colorants et les informations qui fournissent une feuille de route pour la conception de futures sondes.
"En cours de route, nous avons appliqué, modifié ou trouvé des méthodes totalement nouvelles pour fabriquer des rhodamines qui ont un champ d'application assez large, ce qui nous a permis de fabriquer autant de colorants relativement rapidement", explique Grimm. "C'est probablement le travail le plus complet que nous ayons réalisé jusqu'à présent sur les rhodamines."
Le dernier projet a débuté au début de la pandémie de COVID-19, début 2020. L'équipe venait de publier une recherche détaillant la nouvelle chimie utilisée pour élargir la palette de colorants Janelia Fluor.
Ensuite, ils voulaient voir s'ils pouvaient appliquer ce qu'ils avaient appris sur l'optimisation des colorants Janelia Fluor à d'autres types de colorants à base de rhodamine tout en améliorant davantage la chimie utilisée pour les synthétiser.
Alors que le monde s'arrêtait, Grimm et Lavis ont planifié une nouvelle chimie, y compris des réactions chimiques complètement nouvelles, qui cherchaient à incorporer rationnellement les leçons tirées des colorants Janelia Fluor dans d'autres rhodamines classiques mais sous-optimales.
Quelques mois plus tard, Grimm est retourné au laboratoire et a commencé à voir si leurs travaux sur papier pouvaient être transposés dans le monde réel – et parfois imprévisible – de la chimie organique. Avec les précautions COVID en place, Grimm a travaillé seul dans le laboratoire, optimisant la chimie et créant les premiers nouveaux colorants.
"Cela serait probablement arrivé de toute façon, mais pour le meilleur ou pour le pire, quand il n'y avait rien d'autre sur quoi se concentrer, ou que les choses sur lesquelles se concentrer étaient mauvaises - comme 2020 l'était pour tout le monde - la chimie était une belle distraction", dit Grimm. /P>
La nouvelle recherche présente le point culminant du travail de l’équipe au cours des trois dernières années. Contrairement aux colorants Janelia Fluor traditionnels, qui sont caractérisés par un appendice appelé cycle azétidine, les autres colorants à base de rhodamine ont différents substituants dépassant d'autres parties de leurs structures moléculaires.
Forte des connaissances acquises grâce à l'optimisation des colorants JF, l'équipe a modifié ces autres zones sur les anciens colorants rhodamine pour modifier leur couleur, leur luminosité, leur photostabilité, leur perméabilité cellulaire et d'autres caractéristiques.
Le résultat est un tout nouvel ensemble de colorants à base de rhodamine pour l’imagerie. L'équipe a également pu concevoir plusieurs nouvelles façons de fabriquer des colorants à la rhodamine classiques, leur permettant de créer des dizaines de versions fonctionnelles relativement rapidement.
"Nous savions depuis longtemps comment la modification de la fonctionnalité au sommet de la molécule affectait les couleurs des fluorophores, mais nous avons également découvert que cela affectait fortement les propriétés chimiques du colorant", explique Lavis. "Nous avons exploité cela de différentes manières pour créer des agents d'imagerie brillants et décalés vers le rouge."
Bien que ce ne soit pas la fin de l’histoire pour les colorants à la rhodamine, les travaux évoluent probablement dans une direction différente. L'équipe se concentre désormais sur la conception de réactifs spécialement conçus pour être utilisés par leurs collaborateurs biologistes, en travaillant à la création des meilleurs outils possibles grâce aux connaissances qu'ils ont acquises.
"Nous pouvons fabriquer n'importe quel colorant à la rhodamine que nous souhaitons avec cette chimie, et la grande question est donc de savoir ce que nous ferons ensuite", explique Lavis. "La question n'est pas de savoir ce que nous pouvons faire mais ce que nous devrions faire."
Grimm affirme que le développement de cet ensemble étendu de rhodamines, qui a pris plus d'une décennie, témoigne du soutien de HHMI Janelia aux efforts à long terme qui profitent à la communauté scientifique au sens large. Le fait de disposer de postes scientifiques permanents chez Janelia permet également à Grimm et à d'autres scientifiques chevronnés d'assurer la continuité d'un grand projet tel que les colorants Janelia Fluor. Quatre des chercheurs de la publication la plus récente figuraient également sur le tout premier article sur le colorant à la rhodamine publié par le laboratoire en 2011.
Pour Grimm, cela signifie également qu'il peut faire ce qu'il aime :être dans le laboratoire, faire de la chimie et créer des outils utiles aux biologistes. Et plus de 13 ans plus tard, il a également appris quelques choses sur les colorants fluorescents.
"C'est très satisfaisant d'avoir cette chronologie d'articles qui montrent tout ce que nous avons fait au fil des années, et tout a commencé avec une seule réaction aléatoire basée sur un petit calcul que Luke a fait, lui-même activé par une méthode synthétique qui il se trouve que nous avons simplement cherché, sur un coup de tête, à rendre la synthèse des colorants un peu plus facile », explique Grimm. "Même si un calcul semble excellent, il ne se déroule pas toujours de cette façon. Dans ce cas, c'était parfait et cela a certainement porté ses fruits."
Plus d'informations : Jonathan B. Grimm et al, Colorants optimisés absorbant le rouge pour l'imagerie et la détection, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c05273
Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society
Fourni par l'Institut médical Howard Hughes
