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A tecnologia da descoberta identifica os vizinhos os mais próximos das proteínas em superfícies da pilha

Quando os sócios corporativos na iniciativa da catálise de Princeton se sentaram para baixo dois anos há com David MacMillan, apresentaram-no com um desafio biológico no centro das medicinas potenciais do cancro e da outra terapêutica: que proteínas no toque de superfície de uma pilha?

O que quis era análogo a um holofote que chameja em uma caverna escura -- algo brilhar uma luz metafórico em uma proteína e em seus vizinhos mais próximos na membrana de pilha. As grandes, moléculas complexas, proteínas são o material de vida, o fulcro mesmo em que tudo sobre nós voltas -- a maneira que nós pensamos, a maneira nós crescemos, as doenças nós obtemos. As proteínas podem determinar isto enviando mensagens a seus vizinhos. Mas quando os cientistas poderiam previamente dizer quem era dentro da caverna, não poderia dizer quem estava estando ao lado quem, e assim faltavam o conhecimento importante sobre estas comunicações essenciais da proteína-à-proteína.

O departamento do grupo do MacMillan de química anunciado na introdução actual da ciência que desenvolveram esse holofote.

A tecnologia da descoberta, nomeada μMap pela equipe de pesquisadores de Princeton e de cientistas de Merck, usa um photocatalyst -- uma molécula que, quando ativada pela luz, spurs uma reacção química -- para identificar relacionamentos espaciais em superfícies da pilha. O catalizador gera um marcador que etiquete proteínas e seus vizinhos moleculars, que permite por sua vez o traço preciso de seu microambiente.

A tecnologia podia impactar o proteomics, a genómica e a neurociência, para nomear alguns dos campos mais óbvios. Mas os pedidos para a biologia fundamental são tão amplos que MacMillan, que é catedrático do James S. McDonnell Distinto de Princeton da química, está com fome conseguir à tecnologia “em todos as mãos” ver que cientistas em outros campos pode vir acima com.

Para as tecnologias nós temos agora, o problema não somos se você pode etiquetar coisas. O problema é que você pode etiquetar milhares de coisas e assim que você não pode dizer o que são maneira ali e o que é ao lado direito. Isso despeja ser realmente, realmente importante porque as moléculas ou as proteínas ou as enzimas que se sinalizam são geralmente mesmo ao lado de se. Bem, o último modelo não diz lhe o que é próximo.”

David MacMillan, catedrático do James S. McDonnell Distinto de Princeton da química

Assim vieram acima com uma aproximação nova radical.

“Nós fizemos algumas experiências críticas e imediatamente nós poderíamos mostrar que nós etiquetávamos coisas dentro de uma distância realmente curto,” MacMillan dissemos. “Nós conhecemos agora exactamente o que está na vizinhança. E isso é feito nunca antes. Para a biologia, está indo ser como o giro sobre do interruptor da luz e de repente a vista de tudo.”

Os cientistas exploratórios Roubo Oslund (MESC) e Olugbeminiyi Fadeyi do centro da ciência de Merck, os co-autores de papel que são baseados em Cambridge, Massachusetts, disseram que a tecnologia poderia inspirar novidades vastas na biologia. “Dado o papel importante de interacções compreensivas da proteína dentro dos microambiente celulares,” Oslund disse, “esta tecnologia tem o potencial ser uma ferramenta jogo-em mudança para laboratórios académicos e da indústria de ciência da vida pelo mundo inteiro.”

O μMap, micro-mapa pronunciado, identifica vizinhos num raio de 1 a 10 nanômetros em torno de uma proteína particular. (Para a referência, um cabelo humano é aproximadamente 100.000 nanômetros transversalmente.) A definição neste nível identifica as 10 ou 15 moléculas as mais próximas.

Jacob Geri, um research fellow pos-doctoral no centro de Merck para a catálise na Universidade de Princeton e em um co-primeiro-autor no papel da ciência com aluno diplomado James Oakley e cientista Tamara Reyes-Robles de MESC, disse que o μMap faz este usando a luz azul para pôr uma reacção catalítica.

É aqui como trabalha: O catalizador -- neste caso, um composto orgânico do metal -- é anexado selectivamente a qualquer de umas 40.000 proteínas na superfície de uma pilha, onde actua como um tipo da antena. A luz azul, que tem uma energia fotónica muito alta, serve como o disparador. Quando brilhada na pilha, esta luz azul é pegarada pela antena, que converte sua energia fotónica na energia química. Essa energia lactente não esfria; não difunde; não vagueia desorientada ao longo da membrana de pilha que pinta tudo que vem transversalmente. Apenas senta-se.

Baseado em um papel publicou algum 40 anos há, o grupo de MacMillan veio acima com a ideia de empregar o uso de uma molécula orgânica chamada um diazirine que fosse particularmente receptivo a esta energia lactente. Quando um diazirine se mover muito perto para o catalizador -- dentro de 0,1 nanômetros -- transferências de energia química ao diazirine. O diazirine reage por sua vez tão violentamente que libera um byproduct e se transforma o que seja referido como um carbene, uma espécie “irritada” que se anexe às proteínas vizinhas.

“O catalizador transfere tanto a energia que a molécula se rasga distante para expr um átomo de carbono incredibly instável, que então apenas cole a qualquer coisa que pode,” Geri explicado.

O catalizador pode executar esta reacção química muitas vezes, assim que o processo repete-se para todas as moléculas, proteínas e enzimas localizadas. Porque os carbenes são tão breves -- apenas um par nanossegundos -- sua reacção prevê um vívido, instantâneo do tempo real de todas as moléculas contíguas. Subseqüentemente, os pesquisadores podem estofar junto um mapa preciso do microambiente -- os cientistas mesmos da tecnologia estavam procurando.

“Muito mecanismo da doença ocorre com como estas pilhas falam entre si, e podem somente falar se estão tocando,” disseram Geri. “É por isso a superfície da pilha é tão importante. Se tocam, podem comunicar-se.”

Adicionou: “Nós podemos agora figurar que para fora o que estão fazendo essa comunicação aconteça ou o que está fazendo essa mudança de uma comunicação. É sido realmente uma experiência surpreendente, trabalhando nesta.”

O grupo de MacMillan escolheu duas categorias de pilhas humanas investigar. Um era uma classe de proteínas que tinham conhecido interacções, selecionada porque um tipo do grupo de controle para mostrar que suas interacções poderiam ser capturadas pelo μMap. O segundo grupo era “mais interessante,” disse Geri. Centrou-se nas proteínas chamadas PD-L1 e PD-1, que são associados com sua resposta do corpo o sistema imunitário e às células cancerosas.

Normalmente, as pilhas doentes como células cancerosas apresentariam como os intrusos moleculars que precisam de ser cancelados pelo sistema imunitário. Mas as células cancerosas são decepcionantes, disseram MacMillan. Mandam “não me matam” sinal através de um mecanismo cloaking que envolve a linha central PD-L1 e PD-1. Desde que as terapias do cancro são bem sucedidas baseadas em parte em sua capacidade obstruir esse sinal, os cientistas querem conhecer mais sobre como é transmitido. Traçar a vizinhança precisa é uma etapa adiantada essencial. Quando os pesquisadores põem o catalizador do μMap sobre PD-L1 e PD-1, as moléculas em seu microambiente estão etiquetadas. as interacções da Proteína-proteína que tinham sido supor previamente poderiam agora directamente ser observadas. E diversas correlações foram detectadas de que tinha sido concebido nunca.

“Agora, nós não fazemos a biologia do cancro,” disse MacMillan. “Mas nós inventamos esta ferramenta que pode lhe dar muita informação sobre estas células cancerosas. Nós pensamos que usando esta informação, você pode começar visar aquelas proteínas enquanto uma maneira de remover igualmente os sinais de interferência. E se você pode remover aqueles sinais, você faz seu sistema imunitário melhor em ir após estas células cancerosas.”

Logo depois que MacMillan chegou em Princeton, começou a conduzir a pesquisa em aproveitar a luz azul do diodo emissor de luz para executar reptos previamente impossíveis da química. Merck tornou-se envolvido em 2006, com uma doação da semente para a pesquisa de MacMillan. A empresa tem doado desde dinheiros adicionais, e em 2019 anunciou um comprometimento de um financiamento de 10 anos para a iniciativa da catálise de Princeton, que promove colaborações interdisciplinars para acelerar a descoberta de áreas de pesquisa novas.

“Nossa colaboração criou uma catálise celular nova do photoredox do leveraging da aproximação da química para activar diazirines, uma classe importante de moléculas orgânicas, em uma maneira temporal-controlada,” disse o Fadeyi de Merck. “Devido ao uso corrente dos diazirines dentro da biologia química e da biologia, este método estará na alta demanda não somente para a proteína que etiqueta, mas para identificar os alvos obrigatórios de outras biomoléculas para explicar seus papéis funcionais.”

Adicionou: “A colaboração era bem sucedido devido às interacções próximas entre cientistas de Merck e laboratório de Dave.”

MacMillan louvou do mesmo modo a descoberta como a prova do valor da colaboração através das linhas académicos e da indústria, como aquelas previstas quando a iniciativa da catálise de Princeton entrou primeiramente ser em 2018.

“Como químicos, nós não conhecemos nenhuma boa perguntas na biologia -- zero,” disse. “Assim, você está tomando estes povos que conhecem tudo sobre a biologia, e têm este problema que estão tentando resolver. E é finalmente um grande problema para um grupo da química. Ao mesmo tempo, não é um problema que um grupo da química pense nunca aproximadamente porque não conhece a biologia. Você tem estas duas áreas diferentes e você une-as e você começa realizar lá todas estas grandes coisas que você pode fazer.

“Este é o que eu amo sobre as ciências sociais da ciência,” ele adicionou. “É absolutamente um exemplo bonito de como tomou uma vila para resolver um problema.”

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.