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La tecnologia dell'innovazione identifica i vicini più vicini delle proteine sulle superfici delle cellule

Quando i partner corporativi nell'iniziativa di catalisi di Princeton si sono seduti due anni fa con David MacMillan, lo hanno presentato con una sfida biologica al centro delle medicine potenziali del cancro e dell'altra terapeutica: quali proteine sul tocco di superficie delle cellule?

Che cosa hanno voluto era analogo ad un proiettore che arde in una caverna scura -- qualcosa splendere un indicatore luminoso metaforico su una proteina e sui sui vicini più vicini sulla membrana cellulare. Le grandi, molecole complesse, proteine sono la roba di vita, il fulcro stesso su cui tutto circa noi giri -- il modo che pensiamo, il modo ci sviluppiamo, le malattie otteniamo. Le proteine possono determinare questo inviando i messaggi ai loro vicini. Ma mentre gli scienziati potrebbero precedentemente dire chi era interno la caverna, non potrebbero dire a chi stava stando accanto chi e stavano mancando così della conoscenza importante circa queste comunicazioni essenziali della proteina--proteina.

Il dipartimento del gruppo del MacMillan della chimica annunciato nella questione attuale di scienza che hanno sviluppato quel proiettore.

La tecnologia dell'innovazione, nominata μMap dal gruppo dei ricercatori di Princeton e degli scienziati di Merck, usa un photocatalyst -- una molecola che, una volta attivata da indicatore luminoso, stimola una reazione chimica -- per identificare le relazioni spaziali sulle superfici delle cellule. Il catalizzatore genera un indicatore che etichetta le proteine ed i loro vicini molecolari, che a sua volta permette alla mappatura precisa del loro micro-ambiente.

La tecnologia ha potuto urtare il proteomics, la genomica e la neuroscienza, per nominare alcuni dei campi più ovvi. Ma le domande di biologia fondamentale sono così vaste che MacMillan, che è professore universitario del James S. McDonnell Distinguished di Princeton di chimica, ha fame convincere alla tecnologia “in ognuno le mani„ per vedere che scienziati in altri campi può fornire.

Per le tecnologie abbiamo ora, il problema non siamo se potete etichettare le cose. Il problema è che potete etichettare migliaia di cose ed in modo da non potete dire che cosa è modo là e che cosa è giusta porta affianco. Quello risulta essere realmente, realmente importante perché le molecole o le proteine o gli enzimi che si segnalano sono solitamente proprio accanto ad a vicenda. Bene, la punta del progresso vi non dice che cosa è vicino.„

David MacMillan, professore universitario del James S. McDonnell Distinguished di Princeton di chimica

Così hanno fornito un nuovo approccio radicale.

“Abbiamo fatto alcuni esperimenti critici ed immediatamente potremmo mostrare che stavamo contrassegnando le cose all'interno di distanza realmente breve,„ MacMillan abbiamo detto. “Ora conosciamo esattamente che cosa è nella vicinanza. E quello non è fatto mai prima. Per biologia, sta andando essere come accendere l'interruttore della luce ed improvvisamente vedere tutto.„

Gli scienziati esplorativi Rob Oslund (MESC) e Olugbeminiyi Fadeyi, i co-author di carta che sono basati a Cambridge, Massachusetts del centro di scienza di Merck, hanno detto che la tecnologia potrebbe ispirare le vaste novità nella biologia. “Dato il ruolo importante delle interazioni di comprensione della proteina all'interno degli micro-ambienti cellulari,„ Oslund ha detto, “questa tecnologia ha il potenziale di essere uno strumento cacciagione-cambiante per sia i laboratori dell'industria che accademici di scienze biologiche dappertutto.„

Il μMap, micro-mappa pronunciata, identifica i vicini entro un raggio di 1 - 10 nanometri intorno ad una proteina particolare. (Per riferimento, i capelli umani sono circa 100.000 nanometri attraverso.) La risoluzione a questo livello identifica le 10 o 15 molecole più vicine.

Jacob Geri, un ricercatore postdottorale nel centro di Merck per la catalisi alla Princeton University e ad un co-primo-autore sul documento di scienza con il dottorando James Oakley e lo scienziato Tamara Reyes-Robles di MESC, ha detto che il μMap fa questo mediante usando l'indicatore luminoso blu per alimentare una reazione catalitica.

Qui è come funziona: Il catalizzatore -- in questo caso, un composto organico del metallo -- è fissato selettivamente a qualunque di circa 40.000 proteine sulla superficie delle cellule, in cui funge da genere di antenna. L'indicatore luminoso blu, che ha un'energia fotonica molto alta, servisce da grilletto. Una volta spleso sulla cella, questo indicatore luminoso blu è preso dall'antenna, che converte la sua energia fotonica in energia chimica. Quell'energia latente non si raffredda; non si diffonde; non vaga disorientato lungo la membrana cellulare che dipinge tutto che trovi. Si siede appena.

Sulla base di un documento ha pubblicato circa 40 anni fa, il gruppo di MacMillan ha fornito l'idea di uso dell'uso di una molecola organica chiamata un diazirine che è particolarmente ricettivo a questa energia latente. Quando un diazirine si muove molto vicino verso il catalizzatore -- all'interno di 0,1 nanometri -- i trasferimenti di energia chimica nel diazirine. Il diazirine a sua volta reagisce così violentemente che rilascia un sottoprodotto e si trasforma in che cosa si riferisce a come carbene, specie “arrabbiate„ che si fissa alle proteine vicine.

“Il catalizzatore trasferisce così tanto l'energia che la molecola operazione di ripresa a parte per esporre un atomo di carbonio incredibilmente instabile, che poi attaccherà appena a qualche cosa che possa,„ Geri spiegato.

Il catalizzatore può eseguire questa reazione chimica molte volte, in modo dal trattamento si ripete per tutti i molecole, proteine ed enzimi localizzati. Poiché i carbenes sono così di breve durata -- appena una coppia di nanosecondi -- la loro reazione prevede un'istantanea viva e in tempo reale di tutte le molecole attigue. Successivamente, i ricercatori possono imbottire insieme una mappa precisa dell'micro-ambiente -- gli scienziati stessi della tecnologia stavano cercando.

“Il molto meccanismo della malattia ha luogo con come queste celle parlano l'un l'altro e possono parlare soltanto se stanno toccando,„ hanno detto Geri. “Ecco perché la superficie della cella è così importante. Se toccano, possono comunicare.„

Ha aggiunto: “Possiamo ora capire che cosa sta facendo quella comunicazione accade o che cosa sta facendo quel cambiamento di comunicazione. Realmente è stato un'esperienza stupefacente, lavorante a questa.„

Il gruppo di MacMillan ha scelto due categorie di cellule umane per studiare. Uno era classe A di proteine che avevano conosciuto le interazioni, selezionata poichè un genere di gruppo di controllo per provare che le loro interazioni potrebbero essere catturate da μMap. Il secondo gruppo era “più interessante,„ ha detto Geri. Ha concentrato sulle proteine chiamate PD-L1 e PD-1, che sono associati con la sua risposta dell'organismo il sistema immunitario ed alle cellule tumorali.

Normalmente, le celle malate come le cellule tumorali presenterebbero come intrusi molecolari che devono essere rimossi dal sistema immunitario. Ma le cellule tumorali sono ingannevoli, hanno detto MacMillan. Spediscono “non mi uccidono„ segnale attraverso un meccanismo mascherante che comprende l'asse PD-L1 e PD-1. Poiché le terapie del cancro riescono basate parzialmente sulla loro capacità di bloccare quel segnale, gli scienziati vogliono conoscere più circa come è trasmesso. La mappatura della vicinanza precisa è un punto iniziale essenziale. Quando i ricercatori mettono il catalizzatore del μMap su PD-L1 e su PD-1, le molecole nel loro micro-ambiente sono etichettate. le interazioni della Proteina-proteina che precedentemente erano state supposte potrebbero ora direttamente essere osservate. E parecchie correlazioni sono state individuate cui non era stato immaginato mai.

“Ora, non facciamo la biologia del cancro,„ ha detto MacMillan. “Ma abbiamo inventato questo strumento che può fornirgli molte informazioni su queste cellule tumorali. Pensiamo che usando questi informazioni, possiate cominciare mirare a quelle proteine mentre un modo anche eliminare i segnali d'interferenza. E se potete eliminare quei segnali, rendete il vostro sistema immunitario migliore a andare dopo queste cellule tumorali.„

Presto dopo che MacMillan è arrivato a Princeton, ha cominciato a determinare la ricerca nello sfruttamento dell'indicatore luminoso blu del LED per eseguire le abilità precedentemente impossibili di chimica. Merck è stato addetto nel 2006, ad una donazione del seme verso la ricerca di MacMillan. La società da allora ha donato le monete supplementari e nel 2019 hanno annunciato un impegno di dieci anni di finanziamento verso l'iniziativa di catalisi di Princeton, che promuove le collaborazioni interdisciplinari per accelerare la scoperta di nuove aree di ricerca.

“La nostra collaborazione ha creato un approccio cellulare novello di chimica che fa leva la catalisi del photoredox per attivare i diazirines, una classe importante di molecole organiche, ad un in un modo controllato a temporale,„ ha detto il Fadeyi di Merck. “A causa dell'uso sistematico dei diazirines all'interno di biologia chimica e di biologia, questo metodo sarà in molto richiesto non solo per proteina che contrassegna, ma per l'identificazione degli obiettivi obbligatori di altre biomolecole per delucidare i loro ruoli funzionali.„

Ha aggiunto: “La collaborazione era riuscito dovuto le interazioni vicine fra gli scienziati di Merck ed il laboratorio di Dave.„

MacMillan ha lodato similarmente la scoperta come prova del valore di collaborazione attraverso le righe dell'industria e accademiche, come quelle prevedute quando l'iniziativa di catalisi di Princeton in primo luogo ha prodotto nel 2018.

“Come chimici, non conosciamo alcune buone domande nella biologia -- zero,„ ha detto. “Così, state catturando questa gente che conosce tutto circa biologia ed hanno questo problema che stanno provando a risolvere. Ed è infine un grande problema per un gruppo di chimica. Allo stesso tempo, non è un problema che un gruppo di chimica abbia pensato mai circa perché non conoscono la biologia. Avete queste due aree differenti e le un e cominciate realizzare là tutte queste grandi cose che potete fare.

“Questo è che cosa amo circa la scienza sociale di scienza,„ lui ha aggiunto. “È assolutamente un bello esempio di come ha catturato un villaggio per risolvere un problema.„

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Journal reference:

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