Un nou instrument amplifică și vizualizează modificările minuscule ale proteinelor
Un nou studiu publicat în revistă Cell, condus de Steven Banik, a dezvoltat un instrument capabil să amplifice și să vizualizeze modificările minuscule ale proteinelor, esențiale pentru sănătate.
Imaginează-ți un joc în care trebuie să găsești diferențele între două casteluri de nisip aproape identice. Singura diferență? Îndepărtarea a trei granule de nisip. O provocare similară se confruntă și oamenii de știință atunci când analizează fluctuațiile proteinelor din celule, unde variații mici pot determina diferențe semnificative între sănătate și boală sau eficiența unui medicament. Această cercetare oferă o soluție la această problemă, oferind un nou instrument pentru a observa modificările microscopice ale proteinelor.
„Ideile noastre despre ceea ce este important în biologie sunt adesea definite de instrumentele pe care le avem la dispoziție. Există multe procese biologice care au loc într-o cutie neagră pe care nu le putem observa. Dacă putem amplifica semnalele pe care nu le-am putut observa până acum, putem descoperi noi biologie sau noi molecule care ar putea avea beneficii terapeutice”, a declarat Banik.
Proteinele sunt mașinile moleculare din interiorul celulelor care îndeplinesc toate funcțiile necesare vieții. Producția acestor proteine este reglementată printr-un mecanism complex, iar diferite tipuri de celule conțin repertorii distincte de proteine care coordonează funcțiile lor. De exemplu, o celulă cardiacă conține proteinele necesare pentru a produce bătăi de inimă, în timp ce o celulă cerebrală este echipată cu proteine care îi permit să transmită impulsuri electrice.
Chiar și mici scăderi ale nivelurilor acestor proteine pot avea consecințe majore asupra comportamentului celular. Studierea acestor modificări minore este crucială în dezvoltarea de medicamente, deoarece degradarea unei proteine defectuoase poate ajuta la tratarea unor afecțiuni precum cancerul. Totuși, puține tehnici sunt suficient de sensibile pentru a detecta aceste schimbări, mai ales în cazul proteinelor care nu sunt foarte abundente.
Tehnicile tradiționale pentru măsurarea abundenței proteinelor se bazează pe extragerea proteinelor dintr-un număr mare de celule și concentrarea celor de interes. Aceasta este comparabilă cu căutarea aurului pe o plajă până găsești suficiente fulgi de aur pentru a forma o grămadă vizibilă. Este nevoie de o cantitate considerabilă de nisip pentru a obține aurul dorit.
Banik și echipa sa au căutat să dezvolte o metodă mai sensibilă care să permită identificarea proteinelor cu volum mic, adică dintr-un număr restrâns de celule, printr-un sistem de screening de înaltă capacitate.
„Dacă ai multe granule de nisip împrăștiate pe o masă și îndepărtezi o granula, ar fi foarte greu să observi asta”, a explicat Banik. „Dar dacă am avea o metodă de a transforma granula de nisip într-o stâncă, atunci dispariția ei ar fi ușor de observat. Asta am realizat – am contribuit la dezvoltarea uneia dintre primele metode care utilizează amplificarea semnalului pentru a observa semnale mari ce rezultă din schimbări minuscule în abundența proteinelor.”
Noul instrument are puterea de a genera semnale mari, chiar și atunci când se lucrează cu volume mici de celule. Aceasta permite oamenilor de știință să măsoare aceste schimbări cu o eficiență și o sensibilitate mai mari decât înainte, testând simultan sute de proteine și medicamente. Banik și echipa au colaborat strâns cu coautorul David Solow-Cordero, din centrul de screening de înaltă capacitate (HTS) de la Nucleus, o facilitate care oferă cercetătorilor de la Stanford acces la instrumentație de vârf și expertiză tehnică HTS.
„Facilitatea Nucleus HTS este complet echipată cu tot ce este automatizat, lucruri care ar fi fost imposibile de realizat manual”, a spus Melissa Gray. „Și Dr. David Solow-Cordero a fost esențial în ajutarea noastră de a înțelege ce aveam nevoie pentru a face acest lucru să funcționeze în mod eficient.”
Dezvoltarea noului instrument a necesitat atât expertiză tehnică, cât și o dozare de inginerie celulară ingenioasă.
„Când oamenii vorbesc despre un truc magic, spun că a face ceva să dispară este cea mai ușoară parte”, a spus Banik. „Dar a face ceva să apară este mai greu. Același lucru se aplică și studiului unor procese biologice. Pentru a face un semnal să apară, trebuie să meargă mult mai multe lucruri bine.”
Realizarea acestui lucru depinde de programarea mecanismelor celulare native pentru a produce un semnal ce poate fi citit în laborator, similar cu activarea unui întrerupător pentru a aprinde o lampă. Echipa nu a dorit doar un simplu întrerupător on/off, ci un întrerupător cu dimmer care să permită creșterea intensității luminii cu cât o proteină specifică este degradată mai mult.
Pentru a crea prima parte a întrerupătorului, echipa a fuzionat proteinele de interes cu un fel de frână moleculară care împiedică activarea anumitor regiuni ale codului genetic fără activitatea de degradare. Cealaltă parte a întrerupătorului este un factor de transcripție care acționează ca un accelerator celular. Pe măsură ce fuzionează proteina-frână degradează, permite acceleratorului să propulseze mecanismele celulare pentru a genera din ce în ce mai multe proteine fluorescente care se aprind sub microscop. Astfel, modificările de dimensiunea unei granule de nisip în concentrația de proteină sunt amplificate într-un semnal de lumină din ce în ce mai puternic, ușor de cuantificat și vizualizat.
Promisiunea acestei noi abordări constă în faptul că poate fi ajustată. Sistemul poate fi configurat astfel încât diferite tipuri de lumini să se aprindă independent în aceeași celulă sau chiar să aibă o altă ieșire, cum ar fi un cod de bare ARN, care poate fi citit prin secvențiere de înaltă capacitate. Un astfel de instrument ar putea fi folosit în viitor pentru a măsura sau manipula concentrațiile de proteine pentru a înțelege mai bine modul în care acestea interacționează, influențând un proces biologic sau generând o boală.
„Ar fi foarte interesant și împlinitor să vedem cum acest instrument este folosit pentru a face descoperiri care ar fi durat mai mult cu alte metode”, a spus Banik. „Și să găsim molecule medicamentoase interesante care fac lucruri pe care nu le-am putut observa înainte, deoarece lentila necesară pentru a le vizualiza nu exista.”
