Bioluminiscencija je prirodni hemijski proces stvaranja svetlosti kod nekih živih bića koji čini da krijesnice trepere, a neke meduze svetle. Naučnici su dugo bili zainteresovani da pozajme tajne gena ovih životinja za proizvodnju svetlosti kako bi stvorili slične efekte kod kičmenjaka, za razne biomedicinske primene.
Docent za biomolekularno inženjerstvo UC Santa Cruz Andi Ieh dizajnira potpuno veštačke proteine koji proizvode bioluminiscenciju kako bi služili kao neinvazivna metoda za bioimaging, dijagnostiku, otkrivanje lekova i još mnogo toga. Novi rad objavljen u časopisu Chem izveštava o novoj seriji bioluminiscentnih proteina koje su dizajnirali Ieh i njegova grupa, koji su mali, efikasni, veoma stabilni i mogu proizvesti više boja svetlosti za snimanje u realnom vremenu u ćelijskim i životinjskim modelima.
Ova oblast dizajniranja proteina koji se ne nalaze u prirodi, nazvana „de novo dizajn proteina“, nedavno je osvojila grupu naučnika Nobelovu nagradu za hemiju 2024, uključujući Dejvida Bejkera, Iehovog postdoktorskog savetnika. Proteini opisani u ovom radu kreirani su korišćenjem softvera za dizajn proteina dubokog učenja koji je razvio Bejkerova grupa, kao i metoda predviđanja strukture proteina koje proizvodi DeepMind, čiji je osnivač takođe podelio Nobelovu nagradu.
„Ovo nazivamo de novo dizajnom proteina, jer su ovi proteini kompjuterski dizajnirani od nule – ne nalazi se u prirodi, pa čak ni u evolucionoj putanji. Demonstrirali smo upotrebu nedavno dodeljenog koncepta Nobelove nagrade za izgradnju novih enzima koji emituju svetlost , koje služe kao optičke sonde za biološke studije“, rekao je Ieh.
Mnogi istraživači i kliničari koriste tehnike fluorescentnog snimanja da bi razumeli bolest, pomogli u otkrivanju lekova i još mnogo toga. Fluorescentne sonde zahtevaju spoljašnju pobudnu svetlost da bi sijale. Kada spoljašnja svetlost sija na tkivo, svaka ćelija reaguje, stvarajući mnogo pozadinskog svetla koje otežava razlikovanje onoga što istraživač ili kliničar traži.
Bioluminiscentno snimanje se razlikuje po tome što je „bez ekscitacije“—ceo proces emisije svetlosti odvija se na nivou hemijske reakcije. Bioluminiscencija ne stvara reakciju na pozadinsko svetlo, što je čini mnogo efikasnijom za snimanje karakteristika koje mogu biti duboko u tkivu, poput tumora.
Ovaj rad pokazuje da proteini istraživača koji emituju svetlost rade na nivou molekula, ćelija i na nivou cele životinje, što ih čini opštijim za različite vrste naučnih istraživanja. Posebno su pogodni za neinvazivno snimanje in vivo jer mogu otkriti informacije o biološkim procesima duboko u tkivu u realnom vremenu bez potrebe za vađenjem uzorka iz tela.
Ovi specijalno dizajnirani proteini su „ortogonalni“, sa njihovim reakcionim centrom koji je veoma prilagođen obliku dizajniranog molekula koji emituje svetlost. To znači da dizajnerski enzim ne reaguje sa drugim sličnim molekulima koje istraživač ili kliničar može da koristi u isto vreme.
„Dizajnirana reakcija je veoma specifična, tako da se može koristiti u kombinaciji sa postojećim enzimima koji emituju svetlost, jer enzim prepoznaje drugačiji molekul“, rekao je Ieh. „Ljudi već koriste enzime koji emituju svetlost pronađene u prirodi za mnoga biološka istraživanja, a mi ne izmišljamo točak. Stvaramo dodatne komplete alata koji rade bolje i mogu se koristiti u kombinaciji sa alatima za bioluminiscenciju koji su poznati naučnoj zajednici sa.“
Ieh i njegov tim su takođe razvili metodu za pomeranje boje svetlosti koju emituju proteini. Tipično, ovi enzimi sijaju plavo svetlo, ali kroz efikasan proces prenosa energije, istraživači su omogućili emitovanje zelene, žute, narandžaste i crvene svetlosti. Ovo bi omogućilo istraživaču ili kliničaru da prati različite različite biološke karakteristike, koje se nazivaju multipleksiranje, što je važno za proučavanje složenih procesa kao što je razvoj raka.
De novo proteini su visoko termostabilni, što znači da se neće razvijati na visokim temperaturama, za razliku od drugih bioluminiscentnih enzima koji se javljaju u prirodi. Veoma stabilan protein bi bio mnogo lakši za upotrebu za dijagnostiku na licu mesta, jer bi smanjio potrebu za specijalizovanim transportom na niskim temperaturama.
„Sada smo proizveli enzime koji emituju svetlost sa idealnim savijanjem proteina koje priroda ne mora uvek da optimizuje tokom evolucije“, rekao je Ieh.
„Ovo je prvi slučaj u kojem smo pokazali da enzimi koji emituju veštačko svetlo mogu proizvesti dovoljno fotona u kičmenjacima za bioimadžing. Računske metode dizajna proteina postaju sve bolje i bolje, kao i enzimi koje dizajniramo. Verujem da je veoma istina ono što je David Baker rekao: Ovo je samo početak de novo dizajna proteina.“
