Thermische trigger: wetenschappers ontwikkelen warmte-geactiveerde eiwitcontrole voor gerichte celdood

Onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-Nanolsi), Kanazawa University, rapport in ACS nanohoe eiwitten in cellen controleerbaar kunnen worden geactiveerd door verwarming, een effect dat kan worden gebruikt om geprogrammeerde celdood te initiëren.

Cellulaire processen worden beheerst door de activiteit van eiwitten. In staat zijn om het functioneren van eiwitten te beheersen, is daarom zeer relevant voor de ontwikkeling van biotechnologische hulpmiddelen. Dit doen met hoogwaardig ruimtelijke en tijdelijke precisie is echter enorm uitdagend. Eén benadering voor het aanpakken van deze uitdaging, thermogenetica genoemd, is gebaseerd op de thermische respons van bepaalde eiwitten, met lichte verwarming of koeling resulterend in (DE) activering.

Nu hebben Cong Quang Vu en Satoshi Arai van de Kanazawa University een thermogenetisch gereedschap ontwikkeld op basis van polypeptiden die een eenvoudige regulatie van de activeringstemperatuur van een eiwit mogelijk maken en het gebruikten om geprogrammeerde celdood van van mens afgeleide cellen te bereiken.

De wetenschappers werkten met zogenaamde elastine-achtige polypeptiden (ELP’s), biopolymeren samengesteld uit herhaalde aminozuurbouwstenen. ELP’s zijn oplosbaar onder een bepaalde temperatuur; Boven de temperatuurdrempel groeperen ze in coacervate druppeltjes.

De overgangstemperatuur van een ELP hangt af van de precieze samenstelling van zijn monomeerbouwsteen, evenals van het aantal monomeren. Door deze kenmerken te veranderen, kan de overgangstemperatuur van een ELP worden verfijnd, wat de mogelijkheid biedt om op temperatuur reagerende biomoleculaire systemen te ontwerpen die thermisch kunnen worden geactiveerd en gedeactiveerd.

De onderzoekers koppelden ELP’s aan een eiwit genaamd caspase-8 (CASP8), dat wordt aangetroffen bij mensen en andere zoogdieren. Wanneer geactiveerd, ondergaat CASP8 structurele transformaties die uiteindelijk leiden tot de dood van de gastheercel, een proces dat apoptose wordt genoemd.

Vu en Arai wilden een ELP ontwerpen met een overgangstemperatuur van een paar graden boven de lichaamstemperatuur, zodat alleen milde verwarming nodig was voor het induceren van de oplossing-co-coacervaat-droplet-overgang. Deze ELP werd vervolgens versmolten tot CASP8. Boven de overgangstemperatuur vormden de ELP-CASP8-complexen coacervate druppeltjes, waardoor de CASP8-delen uitlijnen op een manier die activering activeert.

Om te kunnen controleren of CASP8 -activering daadwerkelijk gebeurt, ontwikkelden de wetenschappers een CASP8 -indicator. Het indicatiemechanisme omvat fluorescerende eiwitten die, zodra CASP8 wordt geactiveerd, van buiten naar binnen kern in een cel wordt getransloceerd. Het meten van de fluorescentie-intensiteit van de fluorescerende eiwitten in de kern van de cel maakte het vervolgens mogelijk om onderscheid te maken tussen geactiveerde en niet-geactiveerde CASP8.

Om de haalbaarheid van het voorgestelde thermogenetische CASP8 -activeringsschema te controleren, hebben VU en ARAI het toegepast op cellen afgeleid van een menselijke nier. Ze ontdekten dat het warmte-responsieve CASP8-systeem inderdaad leidde tot geïnduceerde celdood bij toenemende temperatuur. De onderzoekers voerden ook experimenten uit met lokale verwarming, door middel van een infraroodlaser, wat aantoont dat hun thermogenetisch gecontroleerde apoptose-benadering ook op het niveau van één cel werkt.

VU en ARAI suggereren dat hun thermogenetisch hulpmiddel ook kan worden toegepast op andere cellulaire processen dan apoptose, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor verschillende biotechnologische toepassingen. De wetenschappers leggen uit: “Door CASP8 te vervangen door andere biomoleculen, kunnen extra thermogenetische hulpmiddelen worden ontwikkeld om verschillende cellulaire functies te moduleren, zoals enzymactiviteit, eiwit -eiwitinteracties en genexpressie.”