Die evolutionäre Uhr auf ein lichtempfindliches Protein zurückstellen

Kent Hovind - Seminar 4 - Lies in the textbooks [MULTISUBS] (Juli 2019).

Anonim

Wir nähern uns dem Licht, um Krankheiten zu heilen. Der Schlüssel ist die Nutzung lichtempfindlicher Proteine.

Das Kerfeld-Labor untersucht das orange Carotinoid-Protein (OCP), einzigartig für Cyanobakterien (früher bekannt als Blaualgen), welche Organismen sind, die bei der Photosynthese außerordentlich produktiv sind.

Das OCP und seine Homologen schützen Cyanobakterien, wenn sie zu viel Sonnenlicht ausgesetzt sind, was andernfalls die Photosynthesesysteme schädigen würde und, wenn es extrem ist, die Zelle selbst schädigt.

Und genau so, wie das Licht die OCP-Aktivität auslöst, möchten Wissenschaftler diese Reaktion nutzen, um maßgeschneiderte, benutzerdefinierte Gesundheitstechnologien zu aktivieren.

Aber zuerst müssen wir verstehen, wie OCP und seine Verwandten arbeiten, sagt Sigal Lechno-Yossef, eine Postdoktorandin im Kerfeld-Labor.

In ihrer neuesten Studie, die im Plant Journal veröffentlicht wurde, zeigt Sigal, wie die beiden Teile des OCP interagieren, wenn sie getrennt werden. Sie schafft es auch, neue, synthetische OCPs zu schaffen, indem sie die Bausteine ​​aus verschiedenen Arten von OCP, die in der Natur vorkommen, miteinander kombiniert.

Umkehr der Evolution

In der Natur bestehen Proteine ​​aus einer begrenzten Anzahl von Domänen - denken Sie an sie als Lego-Blöcke - die sich auf unterschiedliche Weise kombinieren.

Das OCP besteht aus zwei Blöcken, der C-terminalen Domäne und der N-terminalen Domäne, die von einem Carotinoidpigment umspannt werden, das die beiden Teile miteinander verbindet.

So funktionieren sie:

Sigal und ihre Kollegen vom Kerfelder Labor vermuten, dass das OCP, wie wir es heute kennen, das Ergebnis von Vorfahren der beiden Domänen ist, die sich vor Millionen von Jahren zusammengeschlossen haben. In der Evolution werden Gene für Proteine, die kollaborativ zusammenarbeiten, manchmal dauerhaft zu einem einzigen, größeren Protein verschmolzen.

Sigal kehrte dieses evolutionäre Ereignis im Labor um - nenne es Dekonzentration. "Wir wollten den Evolutionsprozess des OCP aus den Homologen der Domäne, die heute in Cyanobakterien vorkommen, besser verstehen", sagt Sigal.

Die Wissenschaftler zerlegten die verbindende Carotinoidbindung, um ein OCP-Protein aufzuspalten. Dann setzten sie beide Domains in einen Test-Host, um zu sehen, ob sie sich wiederfinden und wieder verbinden würden - im Grunde genommen, was sie für den evolutionären Prozess hielten.

"Ohne Carotinoid blieben die beiden Teile getrennt. Sobald wir das Carotinoid hineingesteckt hatten, rasten sie ineinander. Wir haben im Grunde mehrere synthetische Versionen des OCP erstellt."

Die synthetischen OCP-Reaktionen waren in Gegenwart von Licht ihren natürlichen Verwandten ähnlich. Aber aus irgendeinem Grund, wahrscheinlich in den feinen Details ihrer Strukturen, kam nur eine der synthetischen Versionen im Dunkeln wieder zusammen.

Als Bonus, obwohl die beiden OCP-Domänen ohne den Carotinoid-Bolzen getrennt blieben, ergab diese Konfiguration einige interessante Einsichten.

"Im OCP bindet die N-terminale Domäne stärker an das Carotinoid", sagt Sigal. "Wenn wir die Domänen isoliert haben, haben wir festgestellt, dass die C-terminale Domäne, wenn sie alleine ist, an das Carotinoid binden kann."

Proteine, die der C-terminalen Domäne ähnlich sind, sind in Pflanzen, Bakterien und einigen Tieren weit verbreitet, was neue Möglichkeiten eröffnet, technische Anwendungen in einer Reihe von Organismen jenseits von Bakterien zu erforschen.

Mit Licht in der synthetischen Biologie

Cheryl Kerfeld, Principal Investigator am Kerfeld-Labor, ist der Meinung, dass die genaue Kenntnis der Strukturen der verschiedenen OCP-Bausteine ​​für das Engineering besonders geeignet ist.

Langfristiges Ziel ist es, das OCP und seine separaten Teilkomponenten in neuen, synthetischen Systemen, insbesondere Optogenics, zu verwenden, einer kürzlich entwickelten Technik, die Licht zur Steuerung von Prozessen in lebenden Zellen verwendet.

Optogenetik, die in einem Science-Artikel aus dem Jahr 2010 zum Durchbruch in der Dekade hervorgehoben wurde, "zeigt uns, wie das Gehirn funktioniert, wie wir lernen oder wie wir aufwachen. Wissenschaftler hoffen, dass gezielte Gehirnzellen Parkinson oder Alzheimer heilen oder sogar bekämpfen Geisteskrankheit.

Lichtempfindliche Proteine, ähnlich wie die OCP, sind der Schlüssel zur Aktivierung und Kontrolle von Ereignissen in optogenetischen Anwendungen. Obwohl OCP in einer spezifischen optogenetischen Anwendung noch ausprobiert werden muss, ist das Kerfeld Lab der Ansicht, dass ihre Eigenschaften es wahrscheinlich nützlich machen.

"OCPs reagieren schneller auf Licht, verglichen mit den aktuellen lichtempfindlichen Proteinen, die in optogenetischen Experimenten verwendet werden", sagt Sigal. "Sie sind auch so flexibel, wie sie auseinander brechen und wieder zusammen kommen. Sie sind ein großartiger Kandidat."

Sie fügt hinzu: "Nachdem wir nun gezeigt haben, dass wir künstliche hybride OCPs herstellen können, haben wir eine breitere Palette von Optionen." Zum Beispiel, wenn ein Patient mehrere Dosierungen von Medizin benötigt, könnte ihre Aufnahme mit einem synthetischen OCP kontrolliert werden, das zusammengesetzt und disassembliert wird, um Dosierungen zu kontrollieren.

Oder OCP-Domänen könnten getrennt verwendet werden, zum Beispiel als Killschalter für Behandlungen, die Einzeldosen erfordern, im Gegensatz zu mehreren Zyklen.

"Wir befinden uns immer noch in der theoretischen Phase, in der Anwendungen vorgestellt werden, aber wir sind nicht weit davon entfernt, mit synthetischen Systemen zu experimentieren."

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