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La technologie d'avant-garde recense les voisins les plus proches des protéines sur des surfaces de cellules

Quand les associés d'entreprise dans l'initiative de catalyse de Princeton se sont assis il y a deux ans avec David MacMillan, ils l'ont présenté avec un défi biologique au coeur des médicaments potentiels de cancer et de toute autre thérapeutique : quelles protéines sur le contact extérieur des cellules ?

Ce qu'elles ont voulu était analogue à un projecteur flambant dans une caverne foncée -- quelque chose briller une lumière métaphorique sur une protéine et ses voisins plus proches sur la membrane cellulaire. Les grandes, complexes molécules, protéines sont la substance de la durée, le point d'appui même sur laquelle tout au sujet de nous des spires -- la voie que nous pensons, la voie nous nous développons, les maladies nous obtenons. Les protéines peuvent déterminer ceci en envoyant message à leurs voisins. Mais tandis que les scientifiques pourraient précédemment dire qui était à l'intérieur de la caverne, elles ne pourraient pas indiquer à côté de qui restait qui, et de ce fait manquaient de la connaissance importante au sujet de ces transmissions essentielles de protéine-à-protéine.

Le service du groupe de MacMillan de chimie annoncé dans la question actuelle de la Science qu'elles ont développé ce projecteur.

La technologie d'avant-garde, nommée μMap par l'équipe des chercheurs de Princeton et des scientifiques de Merck, emploie un photocatalyst -- une molécule qui, une fois activée par la lumière, stimule une réaction chimique -- pour recenser des relations spatiales sur des surfaces de cellules. Le catalyseur produit d'une borne qui étiquette des protéines et leurs voisins moléculaires, qui active consécutivement le mappage précis de leur micro-environnement.

La technologie a pu influencer la protéomique, génomique et neurologie, pour nommer quelques uns des inducteurs plus évidents. Mais les demandes de biologie principale sont si étendues que MacMillan, qui est le professeur d'Université de James S. McDonnell Distinguished de Princeton de la chimie, ait faim pour obtenir à la technologie « dans chacun des mains » pour voir quels scientifiques dans d'autres domaines peut fournir.

Pour les technologies nous avons en ce moment, le problème n'est pas si vous pouvez étiqueter des choses. Le problème est que vous pouvez étiqueter des milliers de choses et ainsi vous ne pouvez pas dire ce qui est voie là-bas et ce qui est bonne porte à côté. Ce s'avère être réellement, réellement important parce que les molécules ou les protéines ou les enzymes qui se signalent sont habituellement juste à côté de l'un l'autre. Bien, la situation actuelle ne t'indique pas ce qui est proche. »

David MacMillan, professeur d'Université de James S. McDonnell Distinguished de Princeton de chimie

Ainsi ils ont proposé une approche neuve radicale.

« Nous avons fait quelques expériences critiques et immédiatement nous pourrions montrer que nous marquions des choses sur réellement un court distance, » MacMillan avons dit. « Nous connaissons maintenant exact ce qui est dans le voisinage. Et cela jamais n'est avant fait. Pour la biologie, il va être comme mettre en marche l'interrupteur de lampe et voir soudainement tout. »

Les scientifiques exploratoires Rob Oslund (MESC) et Olugbeminiyi Fadeyi, les co-auteurs de papier qui sont basés à Cambridge, le Massachusetts de centre de la Science de Merck, ont dit que la technologie pourrait inspirer de vastes nouveautés dans la biologie. « Vu le rôle majeur des interactions de protéines de compréhension dans les micro-environnements cellulaires, » Oslund a dit, « cette technologie a le potentiel d'être un outil jeu-changeant pour des laboratoires de sciences de la vie d'universitaire et d'industrie partout dans le monde. »

Le μMap, micro-plan prononcé, recense des voisins dans un rayon de 1 à 10 nanomètres autour d'une protéine particulière. (Pour la référence, des cheveux sont environ 100.000 nanomètres à travers.) La résolution concernant ce niveau recense les 10 ou 15 molécules les plus proches.

Jacob Geri, un chargé de recherches post-doctoral au centre de Merck pour la catalyse à l'Université de Princeton et à un Co-premier-auteur sur le papier de la Science avec l'étudiant de troisième cycle James Oakley et le scientifique Tamara Reyes-Robles de MESC, a dit que le μMap fait ceci à l'aide de la lumière bleue pour actionner une réaction catalytique.

Voici comment cela fonctionne : Le catalyseur -- dans ce cas, un composé organique en métal -- est sélecteur fixé à des n'importe quelles d'environ 40.000 protéines sur la surface des cellules, où elle agit en tant que genre d'antenne. La lumière bleue, qui a une énergie photonique très élevée, sert de déclencheur. Une fois brillée sur la cellule, cette lumière bleue est captée par l'antenne, qui convertit son énergie photonique en énergie chimique. Cette énergie latente ne se refroidit pas ; elle ne diffuse pas ; elle n'erre pas sans but le long de la membrane cellulaire peignant tout qu'elle trouve par hasard. Elle se repose juste.

En basé sur un publié de papier il y a 40 ans, le groupe de MacMillan a été soulevé avec l'idée d'utiliser l'utilisation d'une molécule organique appelée un diazirine qui est particulièrement réceptif à cette énergie latente. Quand un diazirine déménage très étroitement au catalyseur -- à moins de 0,1 nanomètres -- les transferts d'énergie chimiques au diazirine. Le diazirine réagit consécutivement tellement violemment qu'il relâche un dérivé et devient ce qui désigné sous le nom d'un carbene, une substance « fâchée » qui se fixe aux protéines voisines.

« Le catalyseur transfère tellement l'énergie que la molécule se déchire à part pour exposer un atome de carbone incroyablement instable, qui collera alors juste à quelque chose qu'il peut, » Geri expliqué.

Le catalyseur peut effectuer cette réaction chimique beaucoup de fois, ainsi le procédé se répète pour toutes les molécules, protéines et enzymes localisées. Puisque les carbenes sont si de courte durée -- juste quelques nanosecondes -- leur réaction prévoit un instantané vif et en temps réel de toutes les molécules contiguës. Par la suite, les chercheurs peuvent piquer ensemble un plan précis du micro-environnement -- les scientifiques mêmes de technologie recherchaient.

Le « beaucoup de le mécanisme de la maladie a lieu par la façon dont ces cellules parlent entre eux, et elles peuvent seulement parler si elles touchent, » ont dit Geri. « Qui est pourquoi la surface de la cellule est si importante. S'ils touchent, ils peuvent communiquer. »

Il a ajouté : « Nous pouvons maintenant figurer qu'à l'extérieur ce qui effectue cette transmission produisez-vous ou ce qui apporte cette modification de transmission. Il est réellement été une expérience étonnante, travaillant à ceci. »

Le groupe de MacMillan a choisi deux catégories des cellules humaines pour vérifier. On était une classe des protéines qui avaient connu des interactions, sélectée comme genre de groupe témoin pour montrer que leurs interactions pourraient être captées par le μMap. Le deuxième groupe était « plus intéressant, » a dit Geri. Il a porté sur les protéines PD-L1 appelés et PD-1, qui sont associés au système immunitaire de l'organisme et à sa réaction aux cellules cancéreuses.

Normalement, les cellules en difficulté comme des cellules cancéreuses se présenteraient en tant qu'intrus moléculaires qui doivent être libérés par le système immunitaire. Mais les cellules cancéreuses sont trompeuses, ont dit MacMillan. Ils envoient « ne me tuent pas » signe par un mécanisme de dissimulation concernant l'axe PD-L1 et PD-1. Puisque les traitements du cancer sont couronnés de succès en partie basés sur leur capacité de bloquer ce signe, les scientifiques veulent connaître plus au sujet de la façon dont il est transmis. La cartographie du voisinage précis est une première étape essentielle. Quand les chercheurs mettent le catalyseur de μMap sur PD-L1 et PD-1, les molécules dans leur micro-environnement sont étiquetées. On pourrait maintenant directement observer des interactions protéine-protéine qui avaient été précédemment présumées. Et on a trouvé plusieurs corrélations dont n'avait été jamais conçu.

« Maintenant, nous ne faisons pas la biologie de cancer, » a dit MacMillan. « Mais nous avons inventé cet outil qui peut te fournir beaucoup d'informations sur ces cellules cancéreuses. Nous pensons qu'à l'aide de cette information, vous pouvez commencer à viser protéines pendant qu'une voie de retirer également les signes de intervention. Et si vous pouvez retirer ces signes, vous rendez votre système immunitaire meilleur à aller après ces cellules cancéreuses. »

Peu après que MacMillan ait obtenu chez Princeton, il a commencé à conduire la recherche en armant l'éclairage LED bleu pour exécuter des exploits précédemment impossibles de chimie. Merck est devenu impliqué en 2006, avec un don de la graine vers la recherche de MacMillan. La compagnie a depuis donné les argents complémentaires, et en 2019 elles ont annoncé un engagement de dix ans du financement vers l'initiative de catalyse de Princeton, qui stimule des collaborations interdisciplinaires pour accélérer la découverte des champs de recherche neufs.

« Notre collaboration a produit une catalyse cellulaire nouvelle de photoredox d'admission des fonds de tiers d'approche de chimie pour activer des diazirines, une classe importante des molécules organiques, d'une façon controlée par temporel, » a dit Fadeyi de Merck. « À cause de l'utilisation courante des diazirines dans la biologie chimique et la biologie, cette méthode sera dans la forte demande non seulement pour la protéine marquant, mais pour recenser les objectifs obligatoires d'autres biomolécules pour élucider leurs rôles fonctionnels. »

Il a ajouté : « La collaboration était due couronné de succès aux interactions proches entre les scientifiques de Merck et le laboratoire de Dave. »

MacMillan a glorifié de même la découverte comme épreuve de la valeur de la collaboration en travers des lignes d'universitaire et d'industrie, comme ceux envisagées quand l'initiative de catalyse de Princeton s'est produite la première fois en 2018.

« Comme pharmaciens, nous ne connaissons aucune bonne question dans la biologie -- zéro, » il a dit. « Ainsi, vous prenez ces gens qui connaissent tout au sujet de la biologie, et ils ont ce problème qu'ils essayent de résoudre. Et c'est éventuel un problème grand pour un groupe de chimie. En même temps, ce n'est pas un problème qu'un groupe de chimie penserait jamais environ parce qu'ils ne connaissent pas la biologie. Vous avez ces deux endroits différents et vous les remontez et vous commencez à réaliser là toutes ces choses grandes que vous pouvez faire.

« Est ce ce que j'aime au sujet de la science social de la science, » lui a ajouté. « C'est absolument un bel exemple de la façon dont il a pris un village pour résoudre un problème. »

Source:
Journal reference:

Geri, J.B., et al. (2020) Microenvironment mapping via Dexter energy transfer on immune cells. Science. doi.org/10.1126/science.aay4106.