新工具可在电灯开关的作用下捕获并释放分子

普林斯顿大学的一个小组已经开发出了一类具有光可切换，高度适应性的分子工具，并具有控制细胞活动的新功能。这种称为抗体的蛋白称为OptoBinders，使研究人员可以通过指导其定位来快速控制细胞内部和外部的过程，其潜在的应用包括蛋白质纯化，生物燃料生产的改进以及新型靶向癌症治疗。

在8月13日发表于《自然通讯》上的两篇论文中，研究人员描述了OptoBinders的创建，它们可以特异地锁存在细胞内外的多种蛋白质上。OptoBinder可以响应蓝光来绑定或释放其目标。研究小组报告说，一种类型的OptoBinder在从暗到蓝光条件下转换时，对靶分子的亲和力最多可改变330倍，而其他类型的结合亲和力却有5倍的差异，所有这些对于寻求研究者有用了解和设计细胞的行为。

至关重要的是，OptoBinders可以靶向细胞中天然存在的蛋白质，并且通过改变光照条件，它们的结合很容易被逆转-“这是正常抗体所不具备的一项新功能，”化学和生物化学助理教授JoséAvalos说。生物工程和安德林格能源与环境中心。阿瓦洛斯说：“释放(一种目标蛋白质)的能力实际上对于许多应用来说都是非常有价值的，”包括工程细胞的新陈代谢，蛋白质的纯化或可能的生物治疗。

这项新技术是阿瓦洛斯(Avalos)与分子生物学助理教授Jared Toettcher合作的最新成果。两者都于2015年加入普林斯顿大学，不久就开始致力于应用光遗传学的新方法，这是一套引入编码光敏蛋白的基因来控制细胞行为的技术。

詹姆斯·托特彻说：“我们希望这将是光遗传学的下一个时代的开始，这为光敏蛋白打开了大门，这些光敏蛋白几乎可以与生物学中的任何蛋白相互作用，无论是细胞内还是细胞外。” 。Elkins，Jr. '41分子生物学受体。

Avalos和他的团队希望使用OptoBinders来控制酵母和细菌的代谢，从而改善生物燃料和其他可再生化学物质的产量，而Toettcher的实验室对这种分子控制与癌症有关的信号通路的潜力感兴趣。

这两篇论文描述了不同类型的光可切换粘合剂：光电纳米抗体和光电单体。纳米抗体衍生自骆驼科动物的抗体，骆驼科动物包括骆驼，美洲驼和羊驼，它们产生的抗体比人或其他动物的抗体更小(因此命名为纳米抗体)且结构更简单。

纳米抗体的小尺寸使其比传统抗体更具适应性且更易于操作。他们最近因其作为COVID-19疗法的潜力而受到关注。另一方面，单克隆抗体是人纤连蛋白的工程片段，人纤连蛋白是一种大蛋白，形成细胞之间基质的一部分。

“这些文件是齐头并进的，”阿瓦洛斯说。“光纳米抗体可以利用这些动物的免疫系统，而单抗抗体具有合成的优势，这为我们提供了以不同方式进一步改造它们的机会。”

两种类型的OptoBinder都结合了来自燕麦植物中发现的蛋白质的光敏域。

“当您打开和关闭灯时，这些工具几乎立即绑定并释放它们的目标，从而带来了另一种控制级别”，合著者阿瓦洛斯(Avalos)的副研究员CésarCarrasco-López说。实验室。“每当您分析像新陈代谢这样复杂的事物时，就需要使用工具以复杂的方式控制这些过程，以便了解正在发生的事情。”

原则上，可以将OptoBinders设计为靶向细胞中发现的任何蛋白质。Toettcher实验室的博士后研究员合着者Agnieszka Gil说：“在大多数现有的光遗传学系统中，“对于每种特定的应用，您总是必须对细胞中的靶蛋白进行遗传操纵”。“我们想开发一种不依赖于靶蛋白的额外遗传操作的光遗传学结合剂。”

作为原理证明，研究人员创造了一种与肌动蛋白结合的光纳米抗体，肌动蛋白是细胞骨架的主要成分，可使细胞移动，分裂并响应其环境。光纳米体在黑暗中与肌动蛋白牢固结合，但在蓝光存在的两分钟内释放其保持力。肌动蛋白通常会结合在一起，在细胞膜和穿过细胞的应力纤维网络内部形成细丝。在黑暗中，针对肌动蛋白的光纳米抗体会结合到这些纤维上。鉴于此，这些结合相互作用被破坏，导致光纳米抗体分散在整个细胞中。研究人员甚至可以仅在细胞的一侧操纵结合相互作用-这种局部控制水平为细胞生物学研究提供了新的可能性。

没有参与这项研究的德国拜罗伊特大学生物化学教授安德烈亚斯·莫格利奇(AndreasMöglich)表示，OptoBinders有望释放出许多以前从未在细胞生物学和生物技术中获得的创新性用途。但是，Möglich说，“研究还有很多”，因为设计策略可以很容易地转化为其他分子，从而为定制的光敏粘合剂的更大范围铺平了道路。

他说：“令人印象深刻的结果标志着巨大的进步。”

Carrasco-López说：“未来的应用将取决于能否针对多种靶蛋白产生更多的OptoBinder。”他说：“我们将尝试建立一个平台，以便我们可以针对标准化的高通量协议选择针对不同目标的OptoBinder。”他补充说，这是该团队的首要任务之一，因为他们在实验室研究后恢复实验由于COVID-19，今年春天被暂停了。

阿瓦罗斯说，除了涉及操纵细胞代谢以产生微生物化学物质的应用之外，OptoBinders可能有朝一日可以用于设计其特性可以被光改变的生物材料。

Toettcher说，该技术还有望通过将药物的作用集中在体内的特定部位或实时调整剂量来减少药物的副作用，他指出在体内照射光需要诸如植入物的设备。 。他说：“用正常的药理学或其他技术进行空间定位的方法不多，因此具有抗体和治疗性结合剂的功能将是一件很酷的事情。”“我们认为这是可以在光遗传学控制下进行何种处理的巨大变化。”

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