Uma equipe de Princeton desenvolveu uma classe de ferramentas moleculares altamente adapta¡veis ​​e comuta¡veis ​​por luz, com novos recursos para controlar as atividades celulares. As protea­nas semelhantes a anticorpos, chamadas OptoBinders, permitem aos pesquisadores controlar rapidamente os processos dentro e fora das células, direcionando sua localização, com aplicações potenciais, incluindo purificação de protea­nas, produção aprimorada de biocombusta­veis e novos tipos de terapias contra o câncer direcionadas a

Em um par de artigos publicados em 13 de agosto na Nature Communications, os pesquisadores descrevem a criação de OptoBinders que podem se prender especificamente a uma variedade de protea­nas dentro e fora das células. Os OptoBinders podem ligar ou liberar seus alvos em resposta a  luz azul. A equipe relatou que  um tipo de OptoBinder  mudou sua afinidade por suas molanãculas-alvo em até330 vezes quando mudou de condições de luz escura para azul, enquanto  outros  mostraram uma diferença de cinco vezes na afinidade de ligação - tudo o que poderia ser útil para pesquisadores que buscam para entender e projetar o comportamento das células.

Crucialmente, os OptoBinders podem ter como alvo protea­nas que estãonaturalmente presentes nas células, e sua ligação éfacilmente reversa­vel mudando as condições de luz - "uma nova capacidade que não estãodispona­vel para anticorpos normais", disse o co-autor  JoséAvalos , professor assistente de  química e engenharia biológica  e o  Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente . “A capacidade de liberar [de uma protea­na-alvo] érealmente muito valiosa para muitas aplicações”, disse Avalos, incluindo a engenharia do metabolismo das células, purificação de protea­nas ou potencialmente a produção de bioterapaªuticos.

A nova técnica éa mais recente de uma colaboração entre Avalos e  Jared Toettcher , professor assistente de  biologia molecular . Ambos ingressaram no corpo docente de Princeton em 2015 e logo começam a trabalhar juntos em novas maneiras de aplicar a  optogenanãtica  - um conjunto de técnicas que introduz genes que codificam protea­nas responsivas a  luz para controlar o comportamento das células.

“Esperamos que este seja o ini­cio da próxima era da optogenanãtica, abrindo a porta para protea­nas sensa­veis a  luz que podem interagir com virtualmente qualquer protea­na na biologia, dentro ou fora das células”, disse Toettcher, do James A Elkins, Jr. '41 Preceptor in Molecular Biology.

Avalos e sua equipe esperam usar OptoBinders para controlar o metabolismo de leveduras e bactanãrias para melhorar a produção de biocombusta­veis e outros produtos químicos renova¡veis , enquanto o laboratório de Toettcher estãointeressado no potencial das moléculas para controlar as vias de sinalização envolvidas no ca¢ncer.

Os dois artigos descrevem diferentes tipos de ligantes comuta¡veis ​​por luz: opto-nanocorpos e opto-monocorpos. Os nanocorpos são derivados dos anticorpos dos camela­deos, a familia dos animais que inclui camelos, lhamas e alpacas, que produzem alguns anticorpos menores (daa­ o nome nanocorpo) e mais simples na estrutura do que os de humanos ou outros animais.

O tamanho pequeno dos nanocorpos os torna mais adapta¡veis ​​e fa¡ceis de trabalhar do que os anticorpos tradicionais; eles recentemente receberam atenção por seu potencial como terapia COVID-19 . Monocorpos, por outro lado, são pedaço s de fibronectina humana, uma grande protea­na que faz parte da matriz entre as células. 

“Esses papanãis andam de ma£os dadas”, disse Avalos. “Os opto-nanocorpos tiram proveito do sistema imunológico desses animais, e os monocorpos tem a vantagem de serem sintanãticos, o que nos da¡ a oportunidade de desenvolvaª-los ainda mais de diferentes maneiras”.

Os dois tipos de OptoBinders incorporam um doma­niosensívela  luz de uma protea­na encontrada em plantas de aveia.

“Quando vocêacende e apaga a luz, essas ferramentas ligam e liberam seu alvo quase imediatamente, de modo que traz outronívelde controle” que não era possí­vel antes, disse o coautor Canãsar Carrasco-La³pez , pesquisador associado do Avalos ' laboratório. “Sempre que vocêestãoanalisando coisas tão complexas como o metabolismo, vocêprecisa de ferramentas que permitam controlar esses processos de uma forma complexa para entender o que estãoacontecendo.”

Em princa­pio, os OptoBinders podem ser projetados para atingir qualquer protea­na encontrada em uma canãlula. Com a maioria dos sistemas optogenanãticos existentes, “vocêsempre teve que manipular geneticamente sua protea­na-alvo em uma canãlula para cada aplicação especa­fica”, disse a coautora Agnieszka Gil , pesquisadora de pa³s-doutorado no laboratório de Toettcher. “Quera­amos desenvolver um ligante optogenanãtico que não dependesse de manipulação genanãtica adicional da protea­na alvo.”

Em uma prova de princa­pio, os pesquisadores criaram um opto-nanocorpo que se liga a  actina, um componente importante do citoesqueleto que permite que as células se movam, se dividam e respondam ao ambiente. O opto-nanocorpo se ligou fortemente a  actina no escuro, mas se soltou em dois minutos na presença de luz azul. As protea­nas actinas normalmente se unem para formar filamentos dentro da membrana celular e redes de fibras de estresse que atravessam a canãlula. No escuro, o opto-nanocorpo contra a actina se liga a essas fibras; a  luz, essas interações de ligação são interrompidas, fazendo com que o opto-nanocorpo se espalhe pela canãlula. Os pesquisadores podem atémesmo manipular as interações de ligação em apenas um lado da canãlula - umnívelde controle localizado que abre novas possibilidades para a pesquisa em biologia celular.

OptoBinders pode desbloquear dezenas de usos inovadores e anteriormente inacessa­veis em biologia celular e biotecnologia, disse Andreas Ma¶glich, professor de bioquímica da Universidade de Bayreuth, na Alemanha, que não esteve envolvido nos estudos. Mas, disse Ma¶glich, “ha¡ muito mais na pesquisa” porque a estratanãgia de design pode ser prontamente traduzida para outras molanãculas, abrindo caminho para um repertório ainda mais amplo de ligantes sensa­veis a  luz personalizados.

“Os resultados impressionantes marcam um avanço significativo”, disse ele.

“As aplicações futuras dependera£o da capacidade de gerar mais OptoBinders” contra uma variedade de protea­nas-alvo, disse Carrasco-La³pez. “Vamos tentar gerar uma plataforma para que possamos selecionar OptoBinders contra diferentes alvos” usando um protocolo padronizado de alto rendimento, disse ele, acrescentando que esta éuma das primeiras prioridades para a equipe ao retomar seus experimentos após a pesquisa de laboratório foi interrompido nesta primavera devido ao COVID-19.

Além das aplicações que envolvem a manipulação do metabolismo celular para a produção química microbiana, disse Avalos, os OptoBinders poderiam algum dia ser usados ​​para projetar biomateriais cujas propriedades podem ser alteradas pela luz.

A tecnologia também promete reduzir os efeitos colaterais das drogas, concentrando sua ação em um local especa­fico do corpo ou ajustando as dosagens em tempo real, disse Toettcher, que observou que a aplicação de luz dentro do corpo exigiria um dispositivo como um implante . “Nãohámuitas maneiras de fazer o direcionamento espacial com farmacologia normal ou outras técnicas, então ter esse tipo de capacidade para anticorpos e ligantes terapaªuticos seria uma coisa muito legal”, disse ele. “Na³s pensamos nisso como uma mudança radical nos tipos de processos que podem ser colocados sob controle optogenanãtico”.

Outros autores no artigo de opto-monobody foram Evan Zhao, que obteve um Ph.D. em engenharia química e biológica de Princeton em 2019; e Nathan Alam, um graduando da Classe de 2021. Zhao também foi um co-autor do artigo de opto-nanocorpo, junto com Liyuan Zhu, um estudante de graduação no Departamento de Quí­mica ; Pavithran Ravindran, um especialista em pesquisa em biologia molecular; Maxwell Wilson, um ex-pesquisador associado em biologia molecular que agora éprofessor assistente na University of California-Santa Barbara; e Alexander Goglia, um estudante de medicina da Robert Wood Johnson Medical School e da Princeton University MD / Ph.D. programa.

O trabalho foi apoiado em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos, Fundação Nacional de Ciências e Departamento de Energia; o Pew Charitable Trusts; e o Fundo de Tecnologia Transformativa Eric e Wendy Schmidt.