Notícia

Daily Hush Today

Onderzoekers laten zien hoe spoorwegwormen rood licht produceren

Publicado em 19 setembro 2019

Een onderzoeksgroep van Braziliaanse en Japanse wetenschappers heeft ontdekt hoe luciferase wordt geproduceerd door de spoorwegworm Phrixothrix hirtus straalt rood licht uit.

Luciferase is een enzym dat de oxidatie van luciferine in vuurvliegjes katalyseert, oxyluciferine produceert en vuurvliegjes in staat stelt licht uit te stralen. Verschillen in de moleculaire structuren verklaren de verschillende kleuren van deze bioluminescentie in verschillende soorten.

Deze ontdekking heeft het potentieel voor nieuwe biotechnologische toepassingen, zoals de beeldvorming van spieren, bloed en hemoglobine-rijk weefsel.

Een artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten beschrijft de studie, die werd uitgevoerd door onderzoekers van de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar) in de staat São Paulo, het National Bioscience Laboratory (LNBio) verbonden aan het Braziliaanse National Energy and Materials Research Center (CNPEM), en de University of Electro- Communicatie in Tokio, Japan.

Het Braziliaanse team gebruikte gekloonde spoorwegworm luciferase, die van nature rood licht en mutanten van het enzym uitzendt, samen met een groter analoog van luciferine gesynthetiseerd door het Japanse team.

"Deze nieuwe combinatie van luciferase met een luciferine-analoog onthulde niet alleen de grotere grootte van de holte in de luciferase, maar produceerde ook veel efficiënter rood-licht en is ideaal voor biomedische toepassingen met beeldvorming van cellen en weefsels die bij voorkeur blauwgroen licht absorberen , zoals zoogdiercellen, "vertelde Vadim Viviani, een professor aan de UFSCar (campus van Sorocaba) en hoofdonderzoeker voor de studie.

In een eerdere studie toonde de groep onder leiding van Viviani aan dat luciferase van vuurvliegjes, die nauwe verwanten zijn van spoorwegwormen, de kleur van het licht dat ze in een reageerbuis van groen naar rood uitzonden, veranderde in reactie op een verandering in de zuurgraad van de medium of de aanwezigheid van zware metalen (lees meer op: revistapesquisa.fapesp.br/en/2019/06/24/green-yellow-or-red/).

De groep wist echter nog niet hoe rood licht op natuurlijke wijze werd geproduceerd door luciferase van de spoorwegworm, en heeft nu aangetoond hoe het fenomeen zich voordoet in deze keversoort. Vanessa Rezende Bevilaqua, de eerste auteur van het artikel, nam deel aan het onderzoek voor haar promotieonderzoek bij São Paulo Research Foundation – FAPESP's steun.

De studie was ook onderdeel van het FAPESP Thematische project Arthropod bioluminescentie.

P. hirtus komt oorspronkelijk uit Noord- en Zuid-Amerika en is een van de weinige dieren waarvan bekend is dat ze zowel rood als groen-geel licht uitzenden, wat vaker voorkomt. Tijdens het larvenstadium P. hirtus heeft verschillende groene "lantaarns" op zijn rug en een rode op zijn kop. Deze laatste helpt de kever zijn weg te vinden in het donker. De lichtbronnen op zijn rug dienen om roofdieren bang te maken.

Wanneer mannetjes van de soort volwassen worden, verliezen ze de rode lantaarn maar behouden de twee groene. Volwassen vrouwtjes houden ze allemaal.

"We hebben nu aangetoond dat geelgroene luciferasen een kleinere holte hebben op de actieve plaats waar luciferine bindt en wordt geoxideerd tot oxyluciferine," zei Viviani. "De luciferine wordt samengeperst in een stijvere omgeving, wat leidt tot elektrostatische afstoting tussen de twee moleculen [the energized oxyluciferin and the walls of the luciferase active site], waarbij licht vrijkomt dat meer energie bevat en daarom groen of geel is. "

In het geval van de rode luciferase geproduceerd door het hoofd, is de actieve plaatsholte groter, zijn er meer watermoleculen aanwezig en is de omgeving minder rigide, wat leidt tot een vermindering van de elektrostatische afstoting tussen de luciferine en de wanden van de luciferase actieve site. Daarom is het uitgestraalde licht rood, dat minder energie bevat.

bio-imaging

Om de interacties die leiden tot de emissie van rood licht te onderzoeken, hebben onderzoekers de afgelopen decennia geleerd om verschillende luciferasen te klonen door genetische manipulatietools te gebruiken om sommige aminozuren te modificeren.

De Japanse groep, geleid door Takashi Hirano aan de Universiteit van Electro-Communicatie, synthetiseerde roodlicht-emitterende luciferine-analogen, die werden getest door Bevilaqua met de vuurvlieg- en spoorwegworm luciferasen gekloond en gemodificeerd door de Braziliaanse onderzoeksgroep.

Sommige van deze gemodificeerde luciferinen hadden een grotere structuur dan de andere, en deze grotere luciferinen werkten het beste samen met luciferase van de spoorwegworm, emitteerden verrood licht efficiënter, terwijl ze niet efficiënt interageerden met de groene of gele luciferasen.

"De luciferasen die groen en geel licht katalyseren hebben een kleine holte en binden daarom niet goed aan de luciferine-analogen met grote structuur, die zeer weinig luminescerende activiteit hebben," zei Viviani. "Anderzijds werken deze grote analogen goed samen met luciferasen die rood licht katalyseren. We hebben hieruit afgeleid dat luciferase van de spoorwegworm een ??grote holte van de actieve site heeft die in staat is zich aan de analogen te binden."

Nadat dit resultaat was bereikt, begonnen de onderzoekers nieuwe combinaties van luciferines met gemodificeerde spoorwegworm luciferase te testen, waardoor uiteindelijk een intenser rood licht ontstond dan dat geproduceerd door P. hirtus. Ze geloven dat de combinaties kunnen worden gebruikt in biomedisch onderzoek.

"De door de Japanse groep gesynthetiseerde luciferine-analogen zijn niet de eerste die zijn gemaakt, maar bieden het voordeel dat ze meer luminescerende activiteit en een rood-verschoven lichtspectrum hebben wanneer ze specifiek worden gecombineerd met luciferase van P. hirtus. De commercieel verkrijgbare analogen zijn minder efficiënt, zij het meer roodverschoven, "zei Viviani.

Aanvankelijk is het idee dat deze ontdekking zou kunnen worden gebruikt om de visualisatie van biochemische en cellulaire processen in zoogdierstoffen die geen rood licht absorberen, zoals bloedcellen en spierweefsel, te verbeteren.

"Wanneer deze stoffen worden onderzocht met conventionele luciferase die groen, geel of blauw licht uitzendt, is het onmogelijk om biochemische en pathologische processen duidelijk te zien, omdat pigmenten zoals hemoglobine en myoglobine het grootste deel van het licht in deze delen van het chromatische spectrum absorberen," zei Viviani .

###

Over São Paulo Research Foundation (FAPESP)

De São Paulo Research Foundation (FAPESP) is een openbare instelling met als missie het ondersteunen van wetenschappelijk onderzoek op alle kennisgebieden door beurzen, beurzen en subsidies toe te kennen aan onderzoekers verbonden aan hoger onderwijs en onderzoeksinstellingen in de staat São Paulo, Brazilië. FAPESP is zich ervan bewust dat het allerbeste onderzoek alleen kan worden gedaan door internationaal samen te werken met de beste onderzoekers. Daarom heeft het partnerschappen opgezet met financieringsinstanties, hoger onderwijs, particuliere bedrijven en onderzoeksorganisaties in andere landen die bekend staan ??om de kwaliteit van hun onderzoek en heeft het wetenschappers die door de subsidies worden gefinancierd, aangemoedigd om hun internationale samenwerking verder te ontwikkelen. U kunt meer informatie over FAPESP vinden op http: // www.FAPESP.br /nl en bezoek FAPESP persbureau op http: // www.agencia.FAPESP.br /nl om op de hoogte te blijven van de nieuwste wetenschappelijke doorbraken helpt FAPESP met zijn vele programma's, prijzen en onderzoekscentra. U kunt zich ook abonneren op FAPESP persbureau op http: // agencia.FAPESP.br /abonneren.