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La tecnología de la ruptura determina a los vecinos más cercanos de las proteínas en superficies de la célula

Cuando los socios de la corporación en la iniciativa de la catálisis de Princeton se sentaron hace dos años con David MacMillan, lo presentaron con un reto biológico en el corazón del remedio potencial del cáncer y de la otra terapéutica: ¿qué proteínas en el tacto superficial de una célula?

Qué él quiso era análogo a un reflector que se ardía en una cueva oscura -- algo brillar una luz metafórica en una proteína y sus vecinos más cercanos en la membrana celular. Las moléculas grandes, complejas, proteínas son la materia de la vida, el mismo fulcro en la cual todo sobre nosotros los giros -- la manera que pensamos, la manera crecemos, las enfermedades conseguimos. Las proteínas pueden determinar esto enviando mensajes a sus vecinos. Pero mientras que los científicos podrían informar previamente quién estaba dentro de la cueva, él no podría informar al lado de quién se ponía de pie quién, y faltaban así conocimiento importante sobre estas comunicaciones esenciales de la proteína-a-proteína.

El departamento del grupo de MacMillan de la química anunciado en la aplicación actual la ciencia que él ha desarrollado ese reflector.

La tecnología de la ruptura, nombrada μMap por las personas de los investigadores de Princeton y de los científicos de Merck, utiliza un photocatalyst -- una molécula que, cuando es activada por la luz, estimula una reacción química -- para determinar lazos espaciales en superficies de la célula. El catalizador genera un marcador que marque las proteínas y a sus vecinos con etiqueta moleculares, que a su vez habilita la correspondencia exacta de su microambiente.

La tecnología podía afectar proteomics, genómica y la neurología, para nombrar algunos de los campos más obvios. Pero los usos para la biología fundamental son tan amplios que MacMillan, que es catedrático de James S. McDonnell Distinguished de Princeton de la química, tiene hambre conseguir a la tecnología “en todo el mundo las manos” para ver con qué científicos en otros campos puede subir.

Para las tecnologías tenemos ahora, el problema no somos si usted puede marcar cosas con etiqueta. El problema es que usted puede marcar millares con etiqueta de cosas y así que usted no puede informar cuál es manera allí y cuál es puerta siguiente derecha. Eso resulta estar realmente, realmente importante porque las moléculas o las proteínas o las enzimas que se hacen señales están generalmente justo al lado de uno a. Bien, el estado plus ultra no le informa cuál está cercano.”

David MacMillan, catedrático de James S. McDonnell Distinguished de Princeton de la química

Subieron tan con una nueva aproximación radical.

“Hicimos algunos experimentos críticos y podríamos mostrar inmediatamente que etiqueta cosas a una distancia realmente corta,” a MacMillan dijimos. “Ahora conocemos exactamente cuál está en la vecindad. Y eso nunca se hace antes. Para la biología, va a ser como girar el interruptor de la luz y repentinamente ver todo.”

Los científicos exploratorios Rob Oslund (MESC) y Olugbeminiyi Fadeyi, los co-autores de papel que se basan en Cambridge, Massachusetts del centro de la ciencia de Merck, dijeron que la tecnología podría inspirar novedades extensas en biología. “Dado el papel importante de las acciones recíprocas de comprensión de la proteína dentro de microambientes celulares,” Oslund dijo, “esta tecnología tiene el potencial de ser una herramienta juego-cambiante para los laboratorios de ciencias de la vida del academic y de la industria por todo el mundo.”

El μMap, micro-mapa pronunciado, determina a vecinos en un radio de 1 a 10 nanómetros alrededor de una proteína determinada. (Para la referencia, un cabello humano es cerca de 100.000 nanómetros a través.) La resolución en este nivel determina las 10 o 15 moléculas más cercanas.

Jacob Geri, profesor investigador postdoctoral en el centro de Merck para la catálisis en la Universidad de Princeton y un co-primero-autor en el papel de la ciencia con el estudiante de tercer ciclo James Oakley y el científico Tamara Reyes-Robles de MESC, dijo que el μMap hace esto usando luz azul para mover por motor una reacción catalítica.

Aquí es cómo trabaja: El catalizador -- en este caso, una composición orgánica del metal -- se sujeta selectivamente de unas 40.000 proteínas en la superficie de una célula, donde actúa como clase de antena. La luz azul, que tiene una energía fotónica muy alta, sirve como el gatillo. Cuando está brillada en la célula, esta luz azul es tomada por la antena, que convierte su energía fotónica en energía química. Esa energía latente no enfría; no difunde; no vaga sin objetivo a lo largo de la membrana celular que pinta todo que parece. Apenas se sienta.

De acuerdo con un papel publicó alguno hace 40 años, el grupo de MacMillan subió con la idea de emplear el uso de una molécula orgánica llamada un diazirine que es determinado receptivo a esta energía latente. Cuando un diazirine se mueve muy cerca al catalizador -- a 0,1 nanómetros -- las transferencias de energía química al diazirine. El diazirine a su vez reacciona tan violentamente que libera un subproducto y se convierte en qué se refiere como carbene, una especie “enojada” que se sujete a las proteínas vecinas.

“El catalizador transfiere tanto energía que la molécula se rasga aparte para exponer un átomo de carbono increíblemente inestable, que entonces apenas adherirá cualquier cosa que puede,” Geri explicado.

El catalizador puede realizar esta reacción química muchas veces, así que el proceso se relanza para todas las moléculas, proteínas y enzimas localizadas. Porque los carbenes son tan efímeros -- apenas un par de nanosegundos -- su reacción preve una foto viva, en tiempo real de todas las moléculas contiguas. Posteriormente, los investigadores pueden acolchar juntos un mapa exacto del microambiente -- los mismos científicos de la tecnología buscaban.

“Mucho el mecanismo de la enfermedad ocurre con cómo estas células hablan el uno al otro, y pueden hablar solamente si están tocando,” dijeron a Geri. “Por eso la superficie de la célula es tan importante. Si tocan, pueden comunicar.”

Él agregó: “Podemos ahora imaginar que qué está haciendo esa comunicación suceso o qué está realizando ese cambio de la comunicación. Se es realmente una experiencia asombrosa, trabajando en esto.”

El grupo de MacMillan eligió dos categorías de células humanas para investigar. Uno era una clase de las proteínas que habían conocido acciones recíprocas, seleccionada pues una clase de grupo de mando para probar que sus acciones recíprocas se podrían capturar por el μMap. El segundo grupo era “más interesante,” dijo a Geri. Centró en las proteínas llamadas PD-L1 y PD-1, que se asocian al sistema inmune y a su reacción de la carrocería a las células cancerosas.

Normalmente, las células enfermas como las células cancerosas presentarían como entrometidos moleculares que necesitan ser autorizados por el sistema inmune. Pero las células cancerosas son engañosas, dijeron a MacMillan. Envían “no me matan” señal a través de un mecanismo que disimula que implica el eje PD-L1 y PD-1. Puesto que las terapias del cáncer son acertadas basadas en parte en su capacidad de cegar esa señal, los científicos quieren conocer más sobre cómo se transmite. La correspondencia de la vecindad exacta es un paso temprano esencial. Cuando los investigadores ponen el catalizador del μMap en PD-L1 y PD-1, las moléculas en su microambiente se marcan con etiqueta. las acciones recíprocas de la Proteína-proteína que habían sido presumidas previamente podrían ahora ser observadas directamente. Y varias correlaciones fueron descubiertas de las cuales nunca había sido concebido.

“Ahora, no hacemos la biología del cáncer,” dijo a MacMillan. “Solamente hemos inventado esta herramienta que puede darle mucha información sobre estas células cancerosas. Pensamos que usando esta información, usted puede comenzar a apuntar esas proteínas mientras que una manera también de quitar señales de interferencia. Y si usted puede quitar esas señales, usted hace su sistema inmune mejor en ir después de estas células cancerosas.”

Pronto después de que MacMillan llegara Princeton, él comenzó a impulsar la investigación en el aprovechamiento de la luz azul del LED para realizar hazañas previamente imposibles de la química. Merck se implicó en 2006, con una donación de la semilla hacia la investigación de MacMillan. La compañía ha donado desde entonces los dineros adicionales, y en 2019 ella anunció una consolidación de diez años del financiamiento hacia la iniciativa de la catálisis de Princeton, que fomenta colaboraciones interdisciplinarias para acelerar el descubrimiento de las nuevas áreas de investigación.

“Nuestra colaboración creó una catálisis celular nueva del photoredox del leveraging de la aproximación de la química para activar diazirines, una clase importante de moléculas orgánicas, de una manera temporal-controlada,” dijo Fadeyi de Merck. “Debido al uso rutinario de diazirines dentro de la biología química y de la biología, este método estará en de mucha demanda no sólo para la proteína etiqueta, pero para determinar los objetivos obligatorios de otras biomoléculas para aclarar sus papeles funcionales.”

Él agregó: “La colaboración era acertado debido a las acciones recíprocas cercanas entre los científicos de Merck y el laboratorio de Dave.”

MacMillan alabó además el descubrimiento como prueba del valor de la colaboración a través de las líneas del academic y de la industria, como ésos previstas cuando la iniciativa de la catálisis de Princeton primero entró en estar en 2018.

“Como químicos, no conocemos ninguna buena preguntas en biología -- cero,” él dijo. “Así pues, usted está tomando a esta gente que conozca todo sobre biología, y ella tiene este problema que ella esté intentando resolver. Y es final un gran problema para un grupo de la química. Al mismo tiempo, no es un problema que un grupo de la química pensaría nunca alrededor porque él no conoce biología. Usted tiene estas dos diversas áreas y usted las pone juntas y usted comienza a realizar allí todas estas grandes cosas que usted puede hacer.

“El es lo que amo sobre las ciencias sociales de la ciencia,” él agregó. “Es absolutamente un ejemplo hermoso de cómo tomó un pueblo para resolver 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.