华盛顿大学科学家利用近红外光控制哺乳动物的细胞过程

怀俄明大学的奇怪之处,就像听说分子生物学家Mark Gomelsky谈到头部更换作为常规实验室程序一样。更多的谈话,事情变得更加清晰:生物工程蛋白质。

研究人员从一种蛋白质中取出头部并将其置于不同蛋白质的体内,使科学家们首次证明近红外光可以控制哺乳动物大脑的细胞过程。

更正式的是,Gomelsky说,他们设计的光敏酶在用外部近红外光激活时会破坏从小鼠大脑的一部分到另一部分的信息流。

“这是一项非常酷的工作,”农业和自然资源学院的戈梅尔斯基说。他的实验室与华盛顿大学动物学和生理学系的合作者一起工作。

“ 用于哺乳动物光遗传学应用的近红外窗口激活的工程腺苷酸环化酶 ”于5月30日在美国化学学会期刊“ACS合成生物学”上发表。

近红外光活化酶腺苷酸环化酶使细胞信号分子缩写为cAMP,几乎普遍存在于哺乳动物细胞中。在特定的大脑神经元中,cAMP控制与长期记忆形成相关的信息传递。

Gomelsky说,实验室的结果是长期以来的梦想,即设计一种可以在近红外光照射下制造cAMP的酶,因为这种光可以在空间精度和特定时间内传递。

他说,关键是外部近红外光通过人体骨骼穿透几厘米深。在这项研究中,光线穿透了小鼠的头骨和脑组织。

“因为cAMP控制着依赖于细胞类型的各种过程,所以这种酶可用于开启胰腺细胞中胰岛素的产生,向心脏起搏细胞发送电脉冲,甚至刺激脂肪储存细胞中的脂肪燃烧,”Gomelsky说。

Gomelsky实验室的第一个蛋白质原型在小鼠中失败,因为它是由不能在37摄氏度(98.6华氏度)下生长的细菌制成的。第二个原型也失败了。

“我们花了很长时间才找到适当的'身体部位'或蛋白质模块,它们在哺乳动物温度下稳定且活跃,”Gomelsky说。“这篇论文描述了寻找那些细菌蛋白质部分的成功,以及Anastasia Fomicheva,博士学位。我实验室的学生,让这些部分一起工作。

戈梅尔斯基称之为头部置换手术。

“我们基本上将一种光敏蛋白质的头部和另一种蛋白质的头部 - 腺苷酸环化酶 - 放在一起,产生一种功能性的嵌合体,类似于狮身体和人体头部的狮身人面像,”他说。“这可能是一个粗略的比喻,但我喜欢它。它说明了挑战的范围。酶不容易受到如此激烈的操纵。“

为了测试工程化的酶是否可以被活体哺乳动物的外部光激活,实验室转向合作者孙倩泉教授在动物学和生理学系,研究小鼠神经生物学。

Gomelsky说,小鼠和人类的记忆形成是cAMP控制的众多过程之一。从短期记忆到长期记忆的信息传递表现为电子尖峰,称为主轴波。电流由特定的离子通道引发,并通过神经元从一个大脑区域(丘脑)传播到另一个大脑区域(皮层)。

如果光敏酶的基因在尖峰起源的大脑区域被传递,则近红外光会刺激cAMP的产生,这会打开离子通道并破坏电路。这就是预测。

Sun实验室的研究生将基因放入小鼠的大脑中,并在小鼠睡觉时使用手持式近红外激光打开酶。

“其中一名学生,陈舟,测量了这些老鼠的纺锤波,看到它们在照射小鼠头时会减少,就像我们预测的那样,”戈梅尔斯基说。

塔夫茨大学的生物工程教授Emmanuel Tzanakakis正在测试小鼠胰岛素生成细胞中的工程酶。戈梅尔斯基说,德国的合作者正在研究光活化酶是否可用于刺激脂肪降解。

与此同时,Gomelsky的实验室正致力于改善蛋白质。

“我们制作了一个很棒的工具,但仍然相当粗糙,”他说。“我们需要对其进行优化,以确保头部与蛋白质体良好地连通。”

Gomelsky还致力于修饰蛋白质,在哺乳动物中制造另一种重要的信号分子,称为cGMP。

“这是一个字母改变的名称,但蛋白质的变化很大,”他说。“cGMP在细胞中并不像cAMP那样无处不在,但非常重要。”

他赞扬两位在实验室工作的Laramie高中学生对这个项目的贡献,Aru Nair和Alhena Islam,由Gomelsky描述为有才华和顽强。

Nair赢得了今年的怀俄明州科学博览会,并在英特尔赞助的国际科学与工程博览会上获得了第一名。奈尔还应邀出席在华盛顿举行的陆军科技研讨会和展示会

伊斯兰教在怀俄明州科学博览会中名列第二,并在今年的新墨西哥州阿尔伯克基举行的青少年科学与人文研讨会比赛中获得杰出承诺奖。

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